Ekoloska zastita

8/18/2019 Ekoloska zastita

http://slidepdf.com/reader/full/ekoloska-zastita 1/30

EKOLOŠKA ZAŠTITAITK

2. predavanje

Teme:

Atmosfera – kompozicija i svojstva

Efekt staklenika

Globalna energetska bilanca



Ukupni globalni okoliš se sastoji od četiri

velike sfere:

• plinovita atmosfera,

• tekuća hidrosfera,

• kruta litosfera i

• živuća biosfera.

Okoliš

BIOSFERA – svi slojevi Zemlje nastanjeni organizmima, danas se često

koristi izraz EKOSFERA . Najobuhvatniji pojam za cjelokupni

prostor na kojem žive organizmi našeg planeta. Obuhvaća

hidrosferu, pedosferu i donji sloj atmosfere.

HIDROSFERA – sveukupni vodeni pokrivač Zemlje. Obuhvaća vodu u

atmosferi i litosferi, u oceanima, morima, jezerima, rijekamai močvarama te vječni snijeg i led (ukupna količina vode na

Zemlji 1386 106 km3 hidrološki ciklus).

LITOSFERA – vanjski kruti sloj Zemlje, debljine oko 100 km.

PEDOSFERA – gornji sloj tla, nastanjen živim organizmima. Pedosfera je

gornji tanki sloj litosfere, u koji penetrira atmosfera i

hidrosfera.





Atmosfera se dijeli na četiri različita sloja, na temelju termalnihkarakteristika, kemijskog sastava, strujanja i gustoće.

Fred Hoyle: “Space isn't remote at all. It's only an hour's drive away ifyour car could go straight upwards.”

TroposferaU troposferi se događaju sve vremenske prilike. Troposfera sadrži približno80% mase cijele atmosfere i gotovo svu vodenu paru. Troposfera jenestabilna sa čestim pojavama brzog konvektivnog gibanja zračnih masa.Tlak zraka na vrhu troposfere je svega 10% tlaka na površini mora ( 0,1

atm). Tropopauza odvaja troposferu od sljedećeg sloja atmosfere.Tropopauza i troposfera se nazivaju i niža atmosfera.

StratosferaIznad troposfere je stratosfera , gdje je strujanje zraka uglavnomhorizontalno. Tanki sloj bogat ozonom nalazi se u gornjem slojustratosfere. Stratosferski sloj apsorbira štetno Sunčevo UV zračenje.

Troposfera i stratosfera zajedno sadrže 99,9% ukupne mase atmosfere istoga su najzanimljivija područ ja iz perspektive zaštite okoliša.

Slojevi ATMOSFERE



Egzosfera je rijedak sloj iznad 400 km visine u kojem tlak

opada do pravog vakuuma. Ovaj se sloj može smatratiprijelazom između Zemljine i Sunčeve atmosfere.

Iza atmosfere

Mezosfera i Termosfera (Ionosfera)

Iznad stratosfere je mezosfera, a potom i termosfera, ukojima su atomi uglavnom ionizirani jer se apsorbiranajsnažnije dolazno zračenje (fotoni) sa Sunca.

Termosfera je vrlo rijetka i u njoj se opaža polarna svjetlost.

dušik

78,084%

kisik

20,946%ugljik-dioksid

0,033%

ostali0,0027%

argon

0,9340%

Kemijski sastav zraka



Copyright R. R. Dickerson 2011

N2

O2

Ar

O3

Inert gasesCO2

H2

←SO2, NO2,

CFC’s, itd.

PM

COCH4

N2O

Sastav Zemljine troposfere



PlinProsječna

koncentracija, ppm

Aproksimativno

vrijeme boravka u

atmosferi

Izvor / porijeklo

N2

O2

780.840,0

209.460,0

106 god.

10 god.

biološki i mikrobiološki

Ar

NeHe

Kr

Xe

9.340,0

18,05,2

1,1

0,09

-

--

-

-

akumulacija tijekom

nastanka Zemlje

CH4

CO2

CO

H2

N2O

1,65

332,0

0,05-0,2*

0,58

0,33

7 god.

15 god.

65 dana

10 god.

10 god.

biogeni i kemijski

antropogeni i biogeni

antropogeni i kemijski

biogeni i kemijski

biogeni i kemijski

SO2

NH3NOx(NO+NO2)

O3

HNO3

H2O

10-5-10-4*

10-4-10-3*

10-6-10-2*

10-2-10-1*

10-5-10-3*

varijabilna (do 4%)

40 dana

20 dana

1 dan

-

1 dan

10 dana



antropogeni, fotokemijski

kemijski (fotokemijski)

kemijski, kiša

fizikalno-kemijski

1. ATMOSPHERA i temperaturni profil

Atmosfera je podijeljena upodruč ja na temelju profilatemperature kao funkcije visine.

TROPOSFERA

je najniži sloj, grijan površinomZemlje (apsorbirana Sunčevaenergija). Stoga, temperaturaopada s visinom – uz gradijentod približno -10 K/km.Ovaj negativni gradijentomogućuje izrazitu nestabilnosts obzirom na vertikalnomiješanje.



STRATOSFERA je sloj atmosfere u područ ju od oko

12 do 50 km od površine Zemlje.Temperatura se povećavapovećanjem visine, zbog apsorpcijesolarnog ultraljubičastog i vidljivogzračenja.Ovaj pozitivni temperaturni gradijentčini stratosferu izrazito stabilnom upogledu vertikalnog miješanja.Rezidualna vremena molekula i

čestica mjere se u godinama.

TROPOPAUZA je stabilno granično područ je između TROPOSFERE i STRATOSFERE. Važno: promjena iz negativnog u pozitivni temperaturni gradijent.

STRATOSFERA - nastavak

U stratosferi se događamaksimalna apsorpcija UVzračenja (Chapmanovciklus).

O2 2O

O2 + O

Step 1

Step 2

Step 3 O3

O3 + OStep 4

slow process 2O2

h

h

STRATOPAUZAKod visina iznad ~50 km, efekt grijanja apsorpcijom UV svjetla je preslab za kompeticiju s procesima radiativnog ohlađivanja,te temperatura počinje ponovo padati.



MEZOSFERAU Mezosferi, koja pokriva područ je visina od50 to 85 km, bilježi se negativnitemperaturni gradijent od -2,75 K/km. Potermodinamičkom karakteru je ovajgradijent je subadiabatski te je stabilnost upogledu vertikalnog miješanja održana.

Najniža temperatura u cijeloj atmosferi jeupravo u mezosferi.

TERMOSFERATermosfera započinje kod visina od 85 km inastavlja se bez jasne granice više stotinakilometara. Sadrži mnogo iona i slobodnihelektrona (plazma), generiranih apsorpcijomsnažnog vakuumskog UV svjetla. Ove specije

pune su kinetičke energije, što se o

čitujepovećanjem temperature. U ovoj vrlo rijetkoj

atmosferi važno je spoznati da se radi otermodinamičkoj temperaturi.

HIPSOMETRIJSKA JEDNADŽBA (gr č. hypsos, visina)

p = po exp(-z/H), H 8 km, za T = 273 K

H visinska skala (engl. scale height)

Svakih 8 km visine tlak pada e puta!

IZVOD!

Adijabatska promjena temperature s visinom (dT /dz)

d = dT/dz = - g/cp -9,8 K/km

U troposferi temperatura se smanjuje linearno s visinom z; opada

približno 10 K po svakom kilometru! Razlog za ovaj progresivni pad je

povećanje udaljenost od Suncem zagrijane Zemlje.

IZVOD!



Atmosferska stabilnost

Čestica zraka (engl. air parcel ) = infinitezimalni djelić zraka konstantnogbroja molekula koji se slabo miješa s okolnim zrakom. Izmjena toplineizmeđu čestice i njezine okoline je minimalna, a temperatura unutar čestice

je općenito uniformna. Analogija: zrak u balonu!Prilikom uzdizanja čestice zraka pretpostavljamo adijabatsku ekspanzijuna račun promjene unutarnje energije, pri kojoj dolazi do hlađenja česticezraka (dU = cv dT). Za suhi zrak, čestica se hladi brzinom definiranomsuhoadijabatskim gradijentom temperature, tj. -9,8 K/km. Jednako tako,čestica suhog zraka koja tone zagrijava se brzinom +9,8 K/km.

Suhoadijabatski temperaturni gradijent (dT /dz ) fiksna je promjenatemperature s visinom i u potpunosti je neovisan o inicijalnoj temperaturi i

temperaturi okolnog zraka, stoga je temelj za definiciju atmosferskestabilnosti.

Suhoadijabatskitemperaturni gradijentprikazan je crtkanimlinijama koje započinju prirazličitim temperaturamaduž horizontalne osi.

Nagib linija jekonstantan i ne ovisi opočetnoj temperaturi!



Čestica zraka hladi se premasuhoadijabatskomtemperaturnom gradijentusve dok se ne postignerosište. U tom trenutku

vodena para kondenzira pričemu se oslobađa latentnatoplina koja snizujevrijednost temp. gradijenta(dT/dz). Vlažnoadijabatskigradijent temperature nijekonstantan jer ovisi otemperaturi i tlaku. U

srednjoj troposferi njegovapribližna vrijednost kreće seizmeđu -6 K/km i -7 K/km.

Stvarni temperaturniprofil okolnog zrakanazivamoatmosferskimtemperaturnimgradijentom iposljedica je složenih

interakcija brojnihmeteoroloških faktora.

Određuje u kojoj mjeriće se čestica zrakavertikalno dizati,odnosno spuštati.

Atmosferski profil

temperature možeznatno varirati s visinom.



Svaki balon (A, B i C) ispunjen je na razini tla zrakom

temperature 20C te jepodignut, npr. vjetrom, na

visinu od 1 km. Zrak u balonuekspandira i ohladi se natemperaturu od približno 10 C(d -9,8 K/km).

O temperaturi i gustoćiokolnog zraka (na z = 1 km)ovisi hoće li se balon uzdizati

ili padati.

Čestica zraka kojazapočinje podizanje hladise prema suhoadij. temp.gradijentu (s.g.t.) dotemperature rosištanakon koje se dalje hladiu skladu svlažnoadijabatskimgradijentom. Ako je dT/dzokolne atmosfere veći ods.g.t. (hlađenje pri višeod -9,8 K/km), česticazraka koje se diže stalno

je toplija od okolnogzraka. Za atmosferu u

ovim uvjetima kažemo da je nestabilna.



Kad je atmosferskigradijent temperature

jednak s.g.t., atmosfera je

u stanju neutralnestabilnosti. Tadavertikalna strujanja zrakanisu poticana nitisprječavana. Neutralnostanje predstavljarazdjelnicu izmeđustabilnih i nestabilnih

uvjeta.

Kad je atmosferskitemperaturni gradijentmanji od s.g.t. (hladi se primanjoj vrijednosti od -9,8K/km), zrak je stabilan i

odupire se vertikalnomgibanju. Ovo jesubadijabatskitemperaturni gradijent.

Zrak koji se podigaovertikalno ostaje hladniji igušći od okolnog zraka. Ponestanku uzgonske sile,

čestica zraka vraća se uprvobitni položaj.



Promotrimo prvo amosferski temp. gradijentprikazan krivuljom A. Ako se čestica zraka iztočke O pomakne naviše, njezina temperaturasmanjivat će se u skladu sa suhoadijabatskimgradijentom temperature te će zbog toga biti višaod okolne temperature. Budući da pri istom tlaku(na nekoj visini z iznad točke O) čestica ima višutemperaturu, njezina gustoća mora biti manja odgustoće okolnog zraka, stoga će čestica poddjelovanjem uzgonske sile ubrzavati prema gore.Isto tako, ako se čestica zraka pomakne iz točke Onadolje, postaje hladnija i gušća od okolnoogzraka i nastavlja tonuti. Za atmosferu u timuvjetima kažemo da je nestabilna.

Nasuprot tome, u slučaju atmosferskog gradijentatemperature prikazanog krivuljom B, pomakčestice zraka iz točke O prema gore rezultirat ćenižom temperaturom čestice od okolnog zraka atime i njezinom većom gustoćom. Jednako tako,pomak čestice zraka iz točke O prema dolje dovestće do porasta njezine temperature i niže gustoćeod okolnog zraka. U oba slučaja na česticu zraka

djeluju sile koje nastoječesticu vratiti do to

čke Ona dijagramu. Za vertikalne stupce zraka s

temperaturnim profilima sličnima krivulji B kažemoda su stabilni.





O3 + h (220 nm –330 nm ) = O2 + O

O2+, NO+

[O]=[O2]

[O] [O2]

Spektralna gustoća dozračene snage Sunca

m

E W

/ ( m 2 m )

2000

1500

1000

500

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

ekstraterestičko zračenje

ozračenje na površini

Zemlje

spektar crnog tijela (5760 K)

UV dio Sunčeva zračenja na

površini Zemlje (UV A + UV B)





Globalna toplinska ravnoteža “Efekt staklenika”

Zahvaljujući prirodnom fenomenu “efekt staklenika” oko 84% energijeodzračene s površine Zemlje biva apsorbirano i reemitirano atmosferom.Ova pojava počiva na činjenici da tro i višeatomni plinovi propuštajuzračenje nižih valnih dužina, a apsorbiraju dugovalno infracrveno zračenje.

REZULTAT: srednja temperatura na površini Zemlje je oko 15 °C štoizuzetno pogoduje životu – između ledišta i vrelišta vode. Da nema togdjelovanja srednja temperatura bila bi oko -18 °C.



EFEKT STAKLENIKA

Moglo bi se tumačiti kako je pogodna srednja temperatura na površiniZemlje rezultat najpovoljnije udaljenosti Zemlje od Sunca. Međutim to nije

jedini razlog, što pokazuju podaci o temperaturama na susjednimplanetima Veneri i Marsu. Atmosfera Venere izrazito je debela i vrlobogata s CO2, dok je atmosfera Marsa vrlo tanka.

Razlike u ovim temperaturama tumače se s obzirom na različiti sastavatmosfera i tlakove.

Globalna energetska bilanca



Srednja godišnja energetska bilanca Zemlje ( Kiehl JK and Trenberth KE (1997) Earth’s annual global

mean energy budget. Bulletin of American Meteorological Society 78: 197–208. )

Efekt staklenika



oko 1800.g. Jean Baptiste Joseph Fourier (Fr) prvi iznosi tezu daatmosferski plinovi imaju utjecaja na energetsku bilancu Zemlje. Prviupotrebljava termin – metaforu staklenik.

1861. god. John Tyndall (GB) eksperimentalno demonstrira da vodenapara i ugljični dioksid propuštaju svjetlost ali ne i toplinsko zračenje.Postavlja tezu da globalna temperatura ovisi o količini CO2 u atmosferi.

Povijesni pregled

oko 1800.g. Jean-Baptiste Joseph Fourier (Fr) prvi iznosi tezu da atmosferskiplinovi imaju utjecaja na energetsku bilancu Zemlje. Prvi upotrebljavatermin – metaforu staklenik.

1861. god. John Tyndall (GB) eksperimentalno demonstrira da vodena para iugljični dioksid propuštaju svjetlost ali ne i toplinsko zračenje. Postavlja

tezu da globalna temperatura ovisi o količini CO2 u atmosferi.

1896. god. T. C. Chamberlin (US) i S. Arrhenius (S) također su utvrdili da CO2 uatmosferi utječe na temperaturu na zemlji. Arrhenius je procijenio dabi dvostruko povećanje koncentracije CO2 u atmosferi uzrokovaloporast temperature za cca 6 C.

1938. god. G. S. Callendar (GB) upozorio na čovjekov utjecaj na porastkoncentracije CO2 u atmosferi, a time i na klimu. Tvrdi da CO2

propušta kratkovalno sunčevo zračenje, a dugovalno apsorbira ireemitira.

1900. Mjerenja do danas pokazuju da se koncentracije CO2 u atmosferipovećala za 10-14%, 24% od 1860. godine

Povijesni pregled



Klimatski aktivni plinovi Značajna antropogena izvorišta

CO2 – ugljični dioksid Fosilna goriva (uključen promet)

CH4 – metan (močvarni plin) Obrada fosilnih goriva,odlagališta otpada, rižina polja,

stočarstvo, izgaranje biomase

O3 – ozon donjih slojevaatmosfere

Indirektno iz NO2 i CO2 iugljikovodika fotosintezom uatmosferi (fosilna goriva,promet, industrija)

Halogenirani ugljikovodici,klorofluorougljici CFC,hidrogenklorofluorougljici HCFC,hidrogenfluorougljici HFC, fluoriranispojevi, organska otapala i ostali

Plinovi u sprejevima, rashladnasredstva, punila u industriji

polimera, sredstva začišćenje,procesni plinovi,..

N2O – dušik-oksidul Umjetna gnojiva, poljoprivreda,izgaranje fosilnih goriva.organska industrija, izg. biomase

Potencijal globalnog zatopljavanja –Global Warming Potential GWP

GWP je indeks ili mjera kojom se opisuje utjecaj

jedinične mase pojedinog plina na globalnozatopljivanje, a u odnosu na istu količinu ugljičnog

dioksida. Pritom se uzima u obzir fizikalno-kemijskaosobina spoja i procijenjeni životni vijek spoja uatmosferi.



Plin

Procjenjeniživotni vijek u

atmosferi(god.)

Koncentracijau atmosferi

1995.g (ppm)

Potencijalglobalnog

zatopljavanjaGWP (engl.

Global Warming Potential)

CO2 50-200 360 1

CH4 12 1,7 21

N2O 114 0,31 310

CFC-11CFC-12HCFC-22HFC-23SF6

CF4

5511612

2603200

50000

0,003 (Cl) 340071001600

12000222005700

Gotovo eksponencijalni porastkoncentracije CO2 u atmosferi. Nastavi lise ovaj trend porasta, do kraja stoljećaprocjenjuje se razina CO2 od 600 ppm.

400 ppm!!!Dana 9. svibnja 2013., dnevna srednjakoncentracija CO 2 u atmosferi (MaunaLoa, Havaji) premašila je 400 ppmv po prvi put od 1958. godine kad su zapo č etamjerenja.



The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)Međuvladin panel o promjeni klime

h

t t p : / / w w w . i p

c c . c

h /

Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRLDr. Ralph Keeling, Scripps Institution of Oceanography

Keeling Curve



Promjene koncentracije CO2 - iz izvještaja IPCC





Opaženi trendovi promjene temperature



Gg1000

Tgx))x(GWPGHGof (GgEqCOTg ii2

Trenutni doprinos globalnom zatopljavanju

CO2

64%

CH4

19%

N2O

6%

CFC

11%

Računanje emisije stakleničkih plinova,izraženo kao ekv. CO2

GHGi godišnja emisija stakleničkog plina (Greenhouse gas ), GgGWPi potencijal globalnog zatopljavanja (Global Warming Potential )

Struktura emisije stakleničkih plinova

(a) Global annual emissions of anthropogenic GHGs from 1970 to 2004.[5] (b) Share of differentanthropogenic GHGs in total emissions in 2004 in terms of CO2-eq. (c) Share of different sectors in totalanthropogenic GHG emissions in 2004 in terms of CO2-eq. (Forestry includes deforestation.)



Nedavni trendovi, procjena ljudskog utjecaja natrendove, i projekcije za ekstremne vremenske prilike

Porast

atmosferskihstaklenickih

plinova

Porast

prosjecneglobalne

temperature

Klimatskepromjene

Suše

Ucestalost kiša i oluja

Podizanje razine mora

Gubitakbioraznovrsnosti

Ljudskeaktivnosti

Prirodniprocesi



Documents

Ekoloska zastita