Блок Добсона

Блок Добсона (ОУ) является единицей измерения количества следов газа в вертикальной колонне через атмосферу Земли . Он возник и продолжает использоваться в основном в отношении атмосферного озона , общее количество которого в столбе, обычно называемое "общим озоном", а иногда и "численностью столба", определяется высокими концентрациями озона в стратосферном озоновом слое .

Единица Добсона определяется как толщина (в единицах 10 мкм) того слоя чистого газа, который будет образован из общего количества колонки при стандартных условиях для температуры и давления (STP). ^{[1] [2]} Иногда это называют «миллиатмо-сантиметр». Таким образом, при типичном количестве атмосферного озона в столбе, равном 300 DU, у поверхности Земли будет образовываться 3-миллиметровый слой чистого газа, если его температура и давление будут соответствовать STP.

Устройство Добсона названо в честь Гордона Добсона , исследователя из Оксфордского университета, который в 1920-х годах построил первый прибор для измерения общего содержания озона на поверхности земли, в котором использовался двойной призменный монохроматор для измерения дифференциального поглощения различных полос солнечного ультрафиолета. излучение озонового слоя. Этот прибор, получивший название озоновый спектрофотометр Добсона , сформировал основу глобальной сети мониторинга атмосферного озона ^[3] и стал источником открытия в 1984 году озоновой дыры в Антарктике . ^[4]

Отношение к единицам СИ [ править ]

Единица Добсона не является частью Международной системы единиц . Чтобы устранить этот недостаток, в кратком исследовании 1982 г. ^{[5] был} рассмотрен ряд альтернативных единиц на основе СИ, подходящих для количеств не только озона, но и любого газа в столбе в любой атмосфере планеты, и предложено использовать для все дела. Примеры варьируются от следовых газов Земли на уровне микромолей на квадратный метр до углекислого газа Венеры на уровне мегамолей на квадратный метр:

• Один ммоль / м ² приблизительно эквивалентен 2,241 ЕД.
• Один DU эквивалентен 0,4462 ммоль / м ² .
• Один DU также эквивалентен 2,687 × 10 ²⁰ молекул на квадратный метр .

Типичные значения общего содержания озона в атмосфере Земли удобно представлять в миллимолях на квадратный метр (ммоль / м ² ).

Более поздняя экспертиза в 1995 г. ^[6] единиц для использования в химии атмосферы Комиссией по химии атмосферы, входящей в Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК), не рекомендовала использовать специальные названия и символы для единиц, которые не являются часть СИ и не является результатом мощности основных единиц СИ. Несмотря на то, что он упустил из виду статью 1982 г., он согласился с мнением о том, что в конечном итоге единицу Добсона следует заменить соответствующей единицей СИ и что единица измерения ммоль / м ² является наиболее удобным и наименее громоздким вариантом. Он выразил надежду, что это подразделение в конечном итоге вытеснит подразделение Добсона. Однако по состоянию на март 2017 года мало свидетельств того, что это произошло; например, прибор Добсона до сих пор используется НАСА^[7] и Всемирным центром данных по озону и ультрафиолетовому излучению ^[8] в своих отчетах об общем количестве озона.

Озон [ править ]

НАСА использует базовое значение для озона 220 DU. Это было выбрано в качестве отправной точки для наблюдений за озоновой дырой в Антарктике , поскольку значения менее 220 единиц Добсона не были обнаружены до 1979 года. Кроме того, в результате прямых измерений над Антарктидой уровень озона в атмосферном столбе был ниже 220 единиц Добсона. потери озона из соединений хлора и брома . ^[9]

Диоксид серы [ править ]

Кроме того, единицы Добсона часто используются для описания общей плотности диоксида серы в столбе , который в небольших количествах появляется в атмосфере из-за сжигания ископаемого топлива, в результате биологических процессов, выделяющих диметилсульфид , или в результате естественного горения, например лесных пожаров. Большое количество диоксида серы может выбрасываться в атмосферу также в результате извержений вулканов. Единица Добсона используется для описания общего количества двуокиси серы в столбце, поскольку она появилась на заре дистанционного зондирования озона на ультрафиолетовых спутниковых приборах (таких как TOMS ).

Вывод [ править ]

Единица Добсона возникает из закона идеального газа

${\ displaystyle PV = nRT,}$

где P и V - давление и объем соответственно, а n , R и T - количество молей газа, газовая постоянная (8,314 Дж / (моль · K)), а T - температура в кельвинах (K).

Числовая плотность воздуха - это количество молекул или атомов в единице объема:

${\ displaystyle n _ {\ text {air}} = {\ frac {A_ {av} n} {V}},}$

а при подключении к закону реального газа числовая плотность воздуха определяется с помощью давления, температуры и реальной газовой постоянной:

${\ displaystyle n _ {\ text {air}} = {\ frac {A_ {av} P} {RT}}.}$

Плотность (количество молекул / объем) воздуха при стандартной температуре и давлении ( T = 273 K и P = 101325 Па) с использованием этого уравнения составляет

${\ displaystyle n _ {\ text {air}} = {\ frac {A_ {av} P} {RT}} = {\ frac {(6.02 \ times 10 ^ {23} \, {\ frac {\ text {молекулы) }} {\ text {mol}}}) \ cdot (101325 ~ {\ text {Pa}})} {8.314 {\ frac {\ text {J}} {\ text {mol K}}} \ cdot 273 ~ {\ text {K}}}}.}$

С некоторыми преобразованиями единиц джоулей в паскаль кубические метры уравнение для молекул / объема выглядит следующим образом:

${\ displaystyle {\ frac {(6.02 \ times 10 ^ {23} ~ {\ frac {\ text {молекулы}} {\ text {mol}}}) \ cdot (101325 ~ {\ text {Pa}})} {8.314 ~ {\ frac {{\ text {Pa}} \, {\ text {m}} ^ {3}} {\ text {mol K}}} \ cdot 273 ~ {\ text {K}}}} = 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3}.}$

Единица Добсона - это общее количество следового газа на единицу площади. В атмосферных науках это называется плотностью столба. Однако как перейти от единиц молекул на кубический метр, объем, к молекулам на квадратный сантиметр , площадь? Это должно быть сделано путем интеграции. Чтобы получить плотность столбца, мы должны интегрировать весь столбец по высоте. Согласно определению единиц Добсона, мы видим, что 1 DU = 0,01 мм следового газа при сжатии до уровня моря при стандартной температуре и давлении. Итак, если мы проинтегрируем нашу числовую плотность воздуха от 0 до 0,01 мм, мы найдем числовую плотность, которая равна 1 ЕД:

${\displaystyle \int _{0~{\text{mm}}}^{0.01~{\text{mm}}}(2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3})\,\mathrm {d} x=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0.01~{\text{mm}}-2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0~{\text{mm}}}$

${\displaystyle {}=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 10^{-5}~{\text{m}}=2.69\times 10^{20}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-2}.}$

Таким образом, мы получили значение 1 DU, которое составляет 2,69 × 10 ²⁰ молекул на квадратный метр.

Ссылки [ править ]