Efnasamsetning lofthjúpsins

Lofttegundir og agnir

Trausti Jónsson 16.10.2007

Lofthjúpurinn er blanda margra lofttegunda, tvær eru langalgengastar, nitur (N) og súrefni (O). Báðar eru á sameindaformi, tvær frumeindir hvors um sig tengjast og mynda sameindirnar N₂ og O₂. Hlutfallslegt magn lofttegundanna er venjulega sett fram á tvennan hátt (gera má það á fleiri vegu). Annars vegar með svokölluðu blönduhlutfalli (c_x, e. mixing ratio) en hins vegar hlutþrýstingi (e. partial pressure). Blönduhlutfallið er skilgreint sem hlutfall fjölda sameinda ákveðinnar lofttegundar í ákveðnu rúmmáli af fjölda (allra tegunda) allra loftsameinda í sama rúmmáli. Flestar lofttegundir lofthjúpsins eru vel blandaðar um hann allan, sem þýðir að blönduhlutfallið raskast ekki þó loftið þynnist. Vatnsgufa (eimur, H₂O) er mikilvæg undantekning og er mjög misdreifð, blönduhlutfall hennar er mjög mishátt eftir stöðum. Lofttegundir sem mjög lítið er af getum við kallað snefillofttegundir (e. trace gas) og er dreifing þeirra sumra nokkuð ójöfn, nefna má óson (O₃) og nituroxíð (N₂O).

Blönduhlutfall

Blönduhlutfall algengustu lofttegundanna er langoftast tilfært í prósentum (%, hundraðshlutum), en magn snefiltegunda ýmist í milljónustuhlutum rúmmáls (ppmv - parts per million volume) eða milljörðustuhlutum (ppbv - parts per billion volume), jafnvel í billjónustu hlutum (parts per trillion volume - pptv). Athugið að í skammstafanirnar tilfæra nöfn eftir bandaríska milljónakerfinu (amerísk "billion" er evrópskur milljarður og amerísk "trillion" er evrópsk billjón, er hér gott tilefni til ruglings. Við tilfærum hlutföllin (þurrt loft) í töflu:

Blönduhlutfall helstu lofttegunda

• Nitur (köfnunarefni)       (N₂) 78%
• Súrefni (ildi) (O₂)               21%
• Argon (Ar)                          0,93%
• Koltvísýringur (CO₂)          380 ppmv
• Neon (Ne)                          18 ppmv
• Helíum                                5,2ppmv
• Óson (O₃)                          0,01 til 10 ppm (misdreift)
• Metan (CH₄)                       1,7ppmv
• Krypton (Kr)                        1,1ppmv
• Vetni (H₂)                           500ppbv
• Nituroxíð (N₂O)                   310ppbv
  
  Óson er sífellt að myndast og eyðast, það hefur ekki nægilegan líftíma til að dreifast jafnt um lofthjúpinn allan. Magn koltvísýrings eykst nú frá ári til árs, einnig er minniháttar svæða- og árstíðasveifla í magni hans og fellur magnið þegar gróður er í sumarvexti á norðurhveli. Sé loft rakt bætist vatnsgufa (eimur, H₂O) við þennan lista og sé mikið af henni raskast hlutföllin í töflunni lítilsháttar staðbundið.

Blönduhlutfall nokkurra lofttegunda

Blönduhlutfall nokkurra lofttegunda (einingalaus hlutfallstala) þar sem 100 = 1 = 100%, 10^-2 = 0,01 = 1% o.s.frv. Súrefni (O₂) er jafndreift upp í gegnum nær allan lofthjúpinn. Þó lítilsháttar sveifla sé í magni CO₂ er hún svo lítil að hún sést ekki á mynd sem þessari. Hér má sjá að hlutfall vatnsgufu (H₂O) við 10 km hæð er aðeins hundraðasti hluti þess sem er við sjávarmál. Mun meira er af ósoni (O₃) í efri lögum en þeim neðri (ósonlagið). Myndin er fengin úr [2, mynd 3.2] en er hér einfölduð.

Hlutþrýstingur

Hlutþrýstingur (p_x) er sá þrýstingur sem lofttegund myndi valda væru allar aðrar lofttegundir í blöndu teknar burt (lögmál Daltons). Hafi upphaflegur þrýstingur blöndunnar verið P er hlutþrýstingur lofttegundarinnar L (p_L):

p_L = c_L * P

Hér er c_L blönduhlutfall lofttegundarinnar, en p heildarþrýstingur allra lofttegundanna saman. Heildarþrýstingur loftblöndu er jafn summu hlutþrýstings einstakra lofttegunda í blöndunni. Ef þrýstingur fellur (t.d. við það að loft lyftist og þynnist ) fellur hlutþrýstingur hverrar lofttegundar einnig, en blönduhlutfallið helst óbreytt. Hlutþrýstingur niturs er því 780 hPa sé loftþrýstingur 1000 hPa, en 390 hPa sé loftþrýstingurinn 500 hPa, blönduhlutfallið er það sama, 0,78 eða 78%. Magn vatnsgufu í lofti er jafnan tilfært sem hlutþrýstingur hennar og nefnist hann eimþrýstingur eða rakaþrýstingur (sjá raki í lofthjúpnum). Hlutþrýstingur er staðbundinn, hann segir ekkert um samsetningu lofthjúpsins fjarri mælistað, ekki heldur ofan við. Sé hlutþrýstingur vatnsgufu (rakaþrýstingur) við sjávarmál t.d. 10 hPa á mælistað eða 1% af heildarþrýstingi segir það ekki að vatnsgufa sé 1% af allri loftsúlunni ofan við, heldur einungis hver hlutur hennar er á mælistaðnum sjálfum.

Agnir

Í lofthjúpnum má, auk loftsameinda af ýmsu tagi og vatnsdropa, finna mikið magn örsmárra rykagna og dropa sem auk vatns innihalda efnasambönd af ýmsu tagi, t.d. saltlausnir og brennisteinssýru. Sameiginlega nefnast agnir og dropar AR eða agnúði (aerosol). Síðara orðið er oftast notað þegar arið samanstendur af dropum, fremur en ögnum, oft er einnig talað um svifryk. Eindregin hefð hefur ekki skapast um þessa orðanotkun.

Á hverju ári berst að meðaltali 3,5 milljarður tonna af ari í lofthjúpinn frá jörð og fellur aftur til jarðar, þar af eru um 390 milljónir tonna af mannavöldum, eða um 11% af heildarmagninu. Um 1,5 milljarður tonna eru jarðvegsryk og um 1,3 milljarður tonna sjávarsalt, hvoru tveggja borið til lofts af vindi. Um helmingur afgangsins eru súlföt, sem aðallega koma úr sjó, mest afurðir plöntusvifs. [1]

Stærð agnúðadropa er langoftast á bilinu 0,01 til 10 µm (µm = míkrómetrar = 10^-6m), séu droparnir minni gufa þeir hratt upp, en séu þeir stærri falla þeir fljótt til jarðar. Magn þeirra er ýmist mælt sem fjöldi agna eða dropa á rúmmálseiningu eða sem massi á rúmmálseiningu.

Ítarefni

[1] Satheesh, S.K., Krishna Moorthy, K. (2005): Radiative effects of natural aerosols: A review. Atmospheric Environment 39 (11) , 2089-2110.

[2] Liou, K-N (2002): An introduction to atmospheric radiation (2.útg.). Elsevier, 583s.

Úr veðurbók Trausta Jónssonar