Следы газа

Следовые газы – это газы, которые присутствуют в небольших количествах в такой среде, планеты как атмосфера . Примесные газы в атмосфере Земли — это газы, кроме азота (78,1%), кислорода (20,9%) и аргона (0,934%), которые в совокупности составляют 99,934% ее атмосферы (не включая водяной пар).

Изобилие, источники и поглотители

Содержание примесей газа может варьироваться от нескольких объемных частей на триллион ( ppt ) до нескольких сотен объемных частей на миллион ( ppmv ). ^{[ 1 ]} Когда примеси газа добавляются в атмосферу, этот процесс называется источником . Возможны два типа источников – естественные и антропогенные. Природные источники обусловлены процессами, происходящими в природе. Напротив, антропогенные источники вызваны деятельностью человека.

Некоторыми источниками газовых примесей являются биогенные процессы, выделение газа из твердой Земли, выбросы в океан, промышленные выбросы и образование на месте . ^{[ 1 ]} Несколько примеров биогенных источников включают фотосинтез , экскременты животных , термиты , рисовые поля и водно-болотные угодья . Вулканы являются основным источником газовых примесей из твердой земли. Мировой океан также является источником нескольких микроэлементов, в частности серосодержащих газов. Образование примесей газа на месте происходит в результате химических реакций в газовой фазе. ^{[ 1 ]} Антропогенные источники возникают в результате деятельности человека, такой как сжигание ископаемого топлива (например, на транспорте ), добыча ископаемого топлива, сжигание биомассы и промышленная деятельность.

Напротив, сток – это когда примеси газа удаляются из атмосферы. Некоторые из поглотителей малых газов представляют собой химические реакции в атмосфере, в основном с радикалом ОН , преобразование газа в частицы с образованием аэрозолей , влажное осаждение и сухое осаждение . ^{[ 1 ]} Другие поглотители включают микробиологическую активность в почвах.

Ниже приведена диаграмма нескольких газовых примесей, включая их содержание, время жизни в атмосфере, источники и поглотители.

Микроскопические газы – отбираются при давлении 1 атм. ^{[ 1 ]}

Газ	Химическая формула	Доля объема воздуха по видам	Время проживания или пожизненное пребывание	Основные источники	Основные раковины
Углекислый газ	СО ₂	419 частей на миллион ≈ppmv (май 2021 г.) ^{[ 2 ]}	Увеличение, См. примечание ^[А]	Биологические, океанические, горения, антропогенные	фотосинтез
Неон	Ne	18,18 частей на миллион по объему	_________	вулканический	________
Гелий	Он	5,24 частей на миллион по объему	_________	Радиогенный	________
Метан	СН ₄	1,89 частей на миллион (май 2021 г.) ^{[ 3 ]}	9 лет	Биологическое, антропогенное	ОЙ
Водород	Ч ₂	0,56 частей на миллион по объему	~ 2 года	Биологический, фотолиз HCHO	поглощение почвы
Закись азота	Н ₂ О	0,33 частей на миллион по объему	150 лет	Биологическое, антропогенное	ТЕМ( ¹Г) в стратосфере
Окись углерода	СО	40–200 частей на миллиард по объему	~ 60 дней	Фотохимические, горючие, антропогенные	ОЙ
Озон	O_О3	10–200 частей на миллиард по объему (тропосфера)	Дни – месяцы	Фотохимический	фотолиз
Формальдегид	ХХО	0,1–10 частей на миллиард по объему	~ 1,5 часа	Фотохимический	Ох, фотолиз
Виды азота	НЕТ _х	10 частей на миллион – 1 частей на миллион по объему	Переменная	Почвы, антропогенные, грозовые	ОЙ
Аммиак	НХ ₃	10 pptv – 1 ppbv	2 – 10 дней	Биологический	преобразование газа в частицы
Диоксид серы	SO_SO2	10 pptv – 1 ppbv	Дни	Фотохимические, вулканические, антропогенные	ОН, окисление на водной основе
Диметилсульфид	(СН ₃ ) ₂ С	несколько pptv – несколько ppbv	Дни	Биологический, океан	ОЙ

^А Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявляет, что «невозможно указать одно время жизни в атмосфере» для CO ₂ . ^{[ 4 ]}^: 731 В основном это связано с высокими темпами роста и большой совокупной величиной нарушений углеродного цикла Земли в результате геологической добычи и сжигания ископаемого углерода. ^{[ 5 ]} По состоянию на 2014 год ожидалось, что ископаемый CO _2, выбрасываемый в виде теоретического импульса от 10 до 100 ГтС сверх существующей концентрации в атмосфере, будет на 50% удален наземной растительностью и океанскими поглотителями менее чем за столетие. ^{[ 6 ]} Согласно прогнозам, значительная часть (20-35%) останется в атмосфере на протяжении веков и тысячелетий, причем фракционная устойчивость увеличивается с увеличением размера импульса. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Таким образом, время жизни CO ₂ фактически увеличивается по мере того, как люди добывают больше ископаемого углерода.

Смешивание и срок службы

Общее содержание антропогенных примесей газов в атмосфере Земли растет. Большинство из них связано с промышленной деятельностью в более населенном северном полушарии. Данные временных рядов, полученные со станций измерения по всему миру, показывают, что обычно требуется 1–2 года, чтобы их концентрации стали хорошо перемешанными в тропосфере. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Время пребывания газовых примесей зависит от их содержания и скорости удаления. Зависимость Юнге (эмпирическая) описывает связь между колебаниями концентрации и временем пребывания газа в атмосфере. Его можно выразить как fc = b /τr _, где fc — коэффициент вариации , τr _— время пребывания в годах, а b — эмпирическая константа, которую Юнге первоначально дал как 0,14 года. ^{[ 11 ]} По мере увеличения времени пребывания изменчивость концентрации уменьшается. Это означает, что наиболее химически активные газы имеют наибольшую изменчивость концентрации из-за их более короткого времени жизни. Напротив, более инертные газы неизменяемы и имеют более длительный срок службы. При измерении вдали от их источников и поглотителей это соотношение можно использовать для оценки времени пребывания газов в тропосфере. ^{[ 11 ]}

Следы парниковых газов

Несколькими примерами основных парниковых газов являются вода , углекислый газ , метан , закись азота , озон и ХФУ . Эти газы могут поглощать инфракрасное излучение с поверхности Земли, когда оно проходит через атмосферу.

Наиболее влиятельным парниковым газом является водяной пар . Он часто встречается в высоких концентрациях, может переходить в аэрозоль (облака) и обратно и поэтому обычно не классифицируется как следовой газ. На региональном уровне водяной пар может улавливать до 80 процентов исходящего ИК-излучения. ^{[ 12 ]} Во всем мире водяной пар ответственен за около половины общего парникового эффекта Земли . ^{[ 13 ]}

Вторым по важности парниковым газом и наиболее важным следовым газом, на который влияют антропогенные источники, является углекислый газ. ^{[ 12 ]} На его долю приходится около 20% общего парникового эффекта Земли. ^{[ 13 ]} Причиной того, что парниковые газы могут поглощать инфракрасное излучение, является их молекулярная структура. Например, углекислый газ имеет два основных режима вибрации, которые создают сильный дипольный момент , вызывающий сильное поглощение инфракрасного излучения. ^{[ 12 ]}

Напротив, наиболее распространенные газы ( N
₂ ,
₂ и Ar ) в атмосфере не являются парниковыми газами. Это связано с тем, что они не могут поглощать инфракрасное излучение, поскольку не имеют колебаний с дипольным моментом. ^{[ 12 ]} Например, тройные связи атмосферного диазота создают симметричную молекулу с колебательными энергетическими состояниями , которые почти полностью не подвержены влиянию инфракрасных частот.

Ниже представлена таблица некоторых основных следовых парниковых газов, их искусственных источников, а также оценка относительного вклада этих источников в усиление парникового эффекта , влияющего на глобальное потепление .

Ключевые парниковые газы и источники ^{[ 12 ]}

Газ	Химическая формула	Основные человеческие источники	Вклад в увеличение (оценка на 1995 год)
Углекислый газ	СО ₂	сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов	55%
Метан	СН ₄	рисовые поля, крупный рогатый скот и молочные коровы, свалки, добыча нефти и газа	15%
Закись азота	Н ₂ О	удобрения, вырубка лесов	6%

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уоллес, Джон; Хоббс, Питер (2006). Наука об атмосфере: вводный обзор . Амстердам, Бостон: Elsevier Academic Press. ISBN 9780127329512 .
^ «Тенденции изменения содержания углекислого газа в атмосфере» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 20 января 2022 г.
^ «Тенденции в атмосферном метане» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 20 января 2022 г.
^ «Глава 8». ДО5 Изменение климата, 2013 г.: Физическая научная основа .
^ Фридлингштейн, П., Джонс, М., О'Салливан, М., Эндрю, Р., Хаук, Дж., Питерс, Г., Питерс, В., Понгратц, Дж., Ситч, С., Ле Кере , C. и еще 66 человек (2019 г.) «Глобальный углеродный бюджет 2019 г.». Данные науки о системе Земли , 11 (4): 1783–1838. два : 10.5194/essd-11-1783-2019
^ «Рисунок 8.SM.4» (PDF) . Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата – дополнительный материал . п. 8СМ-16.
^ Арчер, Дэвид (2009). «Время существования углекислого газа ископаемого топлива в атмосфере» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 37 (1): 117–34. Бибкод : 2009AREPS..37..117A . дои : 10.1146/annurev.earth.031208.100206 . hdl : 2268/12933 .
^ Йоос, Ф.; Рот, Р.; Фуглеведт, доктор медицинских наук; и др. (2013). «Функции импульсной реакции углекислого газа и климата для расчета показателей парниковых газов: многомодельный анализ» . Химия и физика атмосферы . 13 (5): 2793–2825. doi : 10.5194/acpd-12-19799-2012 . hdl : 20.500.11850/58316 .
^ «Долгосрочные глобальные тенденции содержания газовых примесей в атмосфере» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 8 января 2022 г.
^ «Данные и цифры AGAGE» . Массачусетский технологический институт . Проверено 8 января 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Слинн, WGN (1988). «Простая модель взаимосвязи Юнге между колебаниями концентрации и временем пребывания тропосферных газовых примесей» . Теллус Б: Химическая и физическая метеорология . 40 (3): 229–232. Бибкод : 1988TellB..40..229S . дои : 10.3402/tellusb.v40i3.15909 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Троглер, Уильям К. (1995). «Экологическая химия следов атмосферных газов». Журнал химического образования . 72 (11): 973. Бибкод : 1995ЖЧЭд..72..973Т . дои : 10.1021/ed072p973 .
^ Jump up to: ^а ^б Гэвин Шмидт (01 октября 2010 г.). «Измерение парникового эффекта» . Институт космических исследований имени Годдарда НАСА - Научные обзоры.

Внешние ссылки

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уоллес, Джон; Хоббс, Питер (2006). Наука об атмосфере: вводный обзор . Амстердам, Бостон: Elsevier Academic Press. ISBN 9780127329512 .

[2] «Тенденции изменения содержания углекислого газа в атмосфере» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 20 января 2022 г.

[3] «Тенденции в атмосферном метане» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 20 января 2022 г.

[ar5-4] «Глава 8». ДО5 Изменение климата, 2013 г.: Физическая научная основа .

[5] Фридлингштейн, П., Джонс, М., О'Салливан, М., Эндрю, Р., Хаук, Дж., Питерс, Г., Питерс, В., Понгратц, Дж., Ситч, С., Ле Кере , C. и еще 66 человек (2019 г.) «Глобальный углеродный бюджет 2019 г.». Данные науки о системе Земли , 11 (4): 1783–1838. два : 10.5194/essd-11-1783-2019

[6] «Рисунок 8.SM.4» (PDF) . Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата – дополнительный материал . п. 8СМ-16.

[7] Арчер, Дэвид (2009). «Время существования углекислого газа ископаемого топлива в атмосфере» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 37 (1): 117–34. Бибкод : 2009AREPS..37..117A . дои : 10.1146/annurev.earth.031208.100206 . hdl : 2268/12933 .

[8] Йоос, Ф.; Рот, Р.; Фуглеведт, доктор медицинских наук; и др. (2013). «Функции импульсной реакции углекислого газа и климата для расчета показателей парниковых газов: многомодельный анализ» . Химия и физика атмосферы . 13 (5): 2793–2825. doi : 10.5194/acpd-12-19799-2012 . hdl : 20.500.11850/58316 .

[9] «Долгосрочные глобальные тенденции содержания газовых примесей в атмосфере» . Лаборатории исследования системы Земли NOAA . Проверено 8 января 2022 г.

[10] «Данные и цифры AGAGE» . Массачусетский технологический институт . Проверено 8 января 2022 г.

[:2-11] Jump up to: ^а ^б Слинн, WGN (1988). «Простая модель взаимосвязи Юнге между колебаниями концентрации и временем пребывания тропосферных газовых примесей» . Теллус Б: Химическая и физическая метеорология . 40 (3): 229–232. Бибкод : 1988TellB..40..229S . дои : 10.3402/tellusb.v40i3.15909 .

[:1-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Троглер, Уильям К. (1995). «Экологическая химия следов атмосферных газов». Журнал химического образования . 72 (11): 973. Бибкод : 1995ЖЧЭд..72..973Т . дои : 10.1021/ed072p973 .

[ngis-13] Jump up to: ^а ^б Гэвин Шмидт (01 октября 2010 г.). «Измерение парникового эффекта» . Институт космических исследований имени Годдарда НАСА - Научные обзоры.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]