Единица Добсона

редактировать

Единица Добсона (ДЕ) - это единица измерения количества следового газа по вертикали. колонна 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 «содержание в столбе», определяется высокими концентрациями озона в стратосферный озоновый слой.

Единица Добсона определяется как толщина (в единицах 10 мкм) того слоя чистого газа, который будет образован из общего количества столба в стандартные условия по температуре и давлению (СТП). 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 соответствуют 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 с земли. с использованием двойной призмы монохроматора для измерения дифференциального поглощения различных полос солнечного ультрафиолетового излучения озоновым слоем. Этот прибор, получивший название озоновый спектрофотометр Добсона, сформировал основу глобальной сети по мониторингу атмосферного озона и стал источником открытия в 1984 году озоновой дыры в Антарктике.

Содержание

1 Отношение к единицам СИ
2 Озон
3 Диоксид серы
4 Получение
5 Ссылки

Отношение к единицам СИ

Единица Добсона не является частью Международная система единиц. Чтобы устранить этот недостаток, в кратком исследовании 1982 г. был рассмотрен ряд альтернативных единиц на основе системы СИ, подходящих для количеств не только озона, но и любого газа в столбе в любой атмосфере планеты, и было предложено использовать единицу моль на квадратный метр для всех случаев. Примеры варьируются от следовых газов Земли на уровне микромолей на квадратный метр до углекислого газа Венеры при мегамолях на квадратный метр:

Один ммоль / м приблизительно эквивалентен 2,241 DU.
Один DU эквивалентен до 0,4462 ммоль / м.
Одна DU также эквивалентна 2,687 × 10 молекул на квадратный метр.

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

Более поздняя экспертиза единиц для использования в химии атмосферы Комиссией по химии атмосферы, входящей в Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC), в 1995 г., не одобряла использование специальные наименования и символы для единиц, которые не являются частью СИ и не являются результатом мощности основных единиц СИ. Несмотря на то, что он упустил из виду статью 1982 года, он согласился с мнением о том, что в конечном итоге единицу Добсона следует заменить соответствующей единицей СИ и что единица измерения ммоль / м 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 г. мало свидетельств того, что это произошло; например, прибор Добсона до сих пор используется НАСА и Всемирным центром данных по озону и ультрафиолетовому излучению при составлении отчетов об общем количестве озона.

Озон

НАСА использует базовое значение 220 DU для озона. Это было выбрано в качестве отправной точки для наблюдений за антарктической озоновой дырой, поскольку значения менее 220 единиц Добсона не были обнаружены до 1979 года. Кроме того, по прямым измерениям над Антарктидой уровень озона в атмосферном столбе был ниже 220 единиц Добсона - результат потери озона из соединений хлора и брома.

диоксид серы

Кроме того, часто используются единицы Добсона для описания общей плотности диоксида серы в колонке, который появляется в атмосфере в небольших количествах из-за сгорания ископаемого топлива, в результате биологических процессов с высвобождением диметилсульфида или в результате естественного горения, такого как лесные пожары. 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 в первые дни дистанционного зондирования озона на ультрафиолетовых спутниковых приборах (таких как TOMS ).

Получение

Единица Добсона возникает из закона идеального газа

PV = n RT, {\ displaystyle PV = nRT,}

{\ displaystyle PV = nRT,}

где P и V - давление и объем соответственно и 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:

n воздух = A avn V, {\ displaystyle n _ {\ text {air}} = {\ frac {A_ { av} n} {V}},}

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

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

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

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

Числовая плотность (молекул / объем) воздуха при стандартной температуре и давлении (T = 273 K и P = 101325 Па) составляет, используя это уравнение,

n воздух = A av PRT = (6,02 × 10 23 молекул моль) ⋅ (101325 Па) 8,314 Дж моль K 273 K. {\ 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}}}}.}

{\ 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 измерения из джоулей в паскаль кубических метров уравнение для молекул / объема будет

(6,02 × 10 23 молекул моль) ⋅ (101325 Па) 8,314 Па. м 3 моль K ⋅ 273 K = 2.69 × 10 25 молекул ⋅ м - 3. {\ 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}.}

{\ 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:

∫ 0 мм 0,01 мм (2,69 × 10 25 молекул ⋅ м - 3) dx = 2,69 × 10 25 молекул ⋅ м - 3 ⋅ 0,01 мм - 2,69 × 10 25 молекул ⋅ м - 3 ⋅ 0 мм {\ displaystyle \ int _ {0 ~ {\ text {mm}}} ^ {0,01 ~ {\ text {mm} }} (2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3}) \, \ mathrm {d} x = 2,69 \ times 10 ^ {25 } ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3} \ cdot 0,01 ~ {\ text {мм}} - 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы} } \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3} \ cdot 0 ~ {\ text {mm}}}

{\ displaystyle \ int _ {0 ~ {\ text {mm}}} ^ {0,01 ~ {\ text {mm}}} (2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot { \ text {m}} ^ {- 3}) \, \ mathrm {d} x = 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3 } \ cdot 0,01 ~ {\ text {мм}} - 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3} \ cdot 0 ~ {\ text {мм}}}

= 2,69 × 10 25 молекул ⋅ м - 3 ⋅ 10 - 5 м = 2,69 × 10 20 молекул ⋅ м - 2. {\ displaystyle {} = 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 3} \ cdot 10 ^ {- 5} ~ {\ text {m }} = 2,69 \ times 10 ^ {20} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ {- 2}.}

{\ displaystyle {} = 2,69 \ times 10 ^ {25} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ text {m}} ^ { -3} \ cdot 10 ^ {- 5} ~ {\ text {m}} = 2,69 \ times 10 ^ {20} ~ {\ text {молекулы}} \ cdot {\ tex t {m}} ^ {- 2}.}