блок Добсона

Измерение эквивалентной толщины атмосферных следов газа

Единица Добсона (DU) — это единица измерения количества газовых примесей в вертикальном столбе через атмосферу Земли . Она возникла и продолжает в основном использоваться в связи с изучением атмосферного озона , общее количество которого в столбе, обычно называемое «общим озоном», а иногда «обилием столба», определяется высокими концентрациями озона в стратосферном озоновом слое .

Единица Добсона определяется как толщина (в единицах 10 мкм) того слоя чистого газа, который был бы образован общим объемом столба при стандартных условиях температуры и давления (СТП). ^{[1] [2]} Иногда это называют «миллиатмо-сантиметр». Типичное количество столба в 300 DU атмосферного озона, таким образом, образовало бы 3-миллиметровый слой чистого газа на поверхности Земли, если бы его температура и давление соответствовали СТП.

Прибор Добсона назван в честь Гордона Добсона , исследователя из Оксфордского университета , который в 1920-х годах построил первый прибор для измерения общего содержания озона с земли, используя двухпризменный монохроматор для измерения дифференциального поглощения различных полос солнечного ультрафиолетового излучения озоновым слоем. Этот прибор, называемый озоновым спектрофотометром Добсона , стал основой глобальной сети мониторинга атмосферного озона ^[3] и стал источником открытия в 1984 году озоновой дыры над Антарктидой . ^[4]

Озон

NASA использует базовое значение 220 DU для озона. Это значение было выбрано в качестве отправной точки для наблюдений за озоновой дырой над Антарктикой , поскольку значения менее 220 единиц Добсона не были обнаружены до 1979 года. Кроме того, по результатам прямых измерений над Антарктидой, уровень озона в столбе менее 220 единиц Добсона является результатом потери озона соединениями хлора и брома . ^[5]

Диоксид серы

Кроме того, единицы Добсона часто используются для описания общей столбчатой ​​плотности диоксида серы , который встречается в атмосфере в небольших количествах из-за сгорания ископаемого топлива, биологических процессов, высвобождающих диметилсульфид , или естественного горения, такого как лесные пожары. Большие количества диоксида серы могут также выбрасываться в атмосферу из-за извержений вулканов. Единица Добсона используется для описания общего столбчатого количества диоксида серы, поскольку она появилась в первые дни дистанционного зондирования озона на ультрафиолетовых спутниковых приборах (таких как TOMS ).

Вывод

Единица Добсона возникает из закона идеального газа

${\displaystyle PV=nRT,}$

где P и V — давление и объем соответственно, а n , R и T — число молей газа, газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)), а T — температура в градусах Кельвина (К).

Плотность воздуха — это число молекул или атомов в единице объема:

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

и если включить это в закон реального газа, то численная плотность воздуха определяется с использованием давления, температуры и реальной газовой постоянной:

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

Плотность числа (молекул/объем) воздуха при стандартной температуре и давлении ( T = 273 К и P = 101325 Па) определяется с помощью этого уравнения:

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

При некоторых преобразованиях единиц измерения джоулей в паскаль-кубические метры уравнение для молекул/объем выглядит следующим образом:

${\displaystyle {\frac {(6.02\times 10^{23}~{\frac {\text{molecules}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314~{\frac {{\text{Pa}}\,{\text{m}}^{3}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}.}$

Единица Добсона — это общее количество газовых примесей на единицу площади. В атмосферных науках это называется плотностью столба. Но как единицы молекул на кубический метр, объем, преобразовать в молекулы на квадратный сантиметр , площадь? Это должно быть сделано путем интегрирования. Чтобы получить плотность столба, проинтегрируйте общий столб по высоте. Согласно определению единиц Добсона, 1 DU = 0,01 мм газовых примесей при сжатии до уровня моря при стандартной температуре и давлении. Таким образом, интегрируя плотность воздуха от 0 до 0,01 мм, она становится равной 1 DU:

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

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

Таким образом, значение 1 DU составляет 2,69 × 10²⁰ молекул на квадратный метр.

Ссылки

1. «Наблюдение за озоновой дырой: факты о приборах Добсона».
2. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Единица Добсона в атмосферной химии». doi :10.1351/goldbook.D01827
3. Staehelin, Johannes (2008). "Глобальный мониторинг атмосферного озона". Бюллетень ВМО . 57 (1). Архивировано из оригинала 18 декабря 2023 г.
4. Фарман, Дж. К.; Гардинер, Б. Г.; Шанкин, Дж. Д. (1985). «Большие потери общего озона в Антарктиде выявляют сезонное взаимодействие ClO _x /NO _{x ».} Nature . 315 (16 мая 1985 г.): 207–210. Bibcode :1985Natur.315..207F. doi :10.1038/315207a0.
5. "Ozone Hole Watch". NASA . Получено 21 октября 2007 г.