Блок Добсона - Dobson unit

В Блок Добсона (DU) - единица измерения количества следового газа в вертикальном столбце через Атмосфера Земли. Он возник и продолжает использоваться в основном в отношении атмосферных озон, 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 при стандартные условия по температуре и давлению (СТП).^[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 соответствуют STP.

Блок Добсона назван в честь Гордон Добсон, научный сотрудник Оксфордский университет кто в 1920-х годах построил первый прибор для измерения общего содержания озона с земли, используя двойную призму монохроматор для измерения дифференциального поглощения различных полос солнечного ультрафиолетового излучения озоновым слоем. Этот инструмент, названный Озоновый спектрофотометр Добсона, составляет основу глобальной сети мониторинга атмосферного озона.^[3] и явился источником открытия в 1984 г. Озоновая дыра в Антарктике.^[4]

Отношение к единицам СИ

Установка Добсона не является частью Международная система единиц. Чтобы устранить этот недостаток, краткое исследование в 1982 г.^[5] исследовали ряд альтернативных единиц на основе СИ, подходящих для количеств не только озона, но и любого газа в столбе в любой атмосфере планеты, и предложили 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 на уровне мегамолей на квадратный метр:

• Один ммоль / м² приблизительно эквивалентно 2,241 DU.
• Один DU эквивалентен 0,4462 ммоль / м².
• Один DU также эквивалентен 2,687 × 10²⁰ молекул на квадратный метр.

Типичные значения общего содержания озона в атмосфере Земли удобно представить в виде миллимоли на квадратный метр (ммоль / м²).

Позднее обследование в 1995 г.^[6] единиц для использования в химии атмосферы Комиссией по химии атмосферы, частью Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) не рекомендовали использовать специальные названия и символы для единиц, которые не являются частью СИ и не являются результатом мощности базовых единиц СИ. Несмотря на то, что он упустил из виду статью 1982 года, он согласился с мнением, что единицу Добсона в конечном итоге следует заменить соответствующей единицей СИ и что единица измерения ммоль / м² был 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 все еще используется НАСА^[7] и Всемирным центром данных по озону и ультрафиолетовому излучению^[8] в их отчетах об общем количестве озона.

Озон

НАСА использует базовое значение для озона 220 еД. Это было выбрано в качестве отправной точки для наблюдений за Антарктикой. озоновая дыра, поскольку значения менее 220 единиц Добсона не были обнаружены до 1979 года. Кроме того, из прямых измерений над Антарктикой уровень озона в столбе менее 220 единиц Добсона является результатом потери озона из-за хлор и бром соединения.^[9]

Диоксид серы

Кроме того, единицы Добсона часто используются для описания общей плотности столбцов диоксид серы, который происходит в атмосфере в небольших количествах из-за сжигания ископаемого топлива, в результате биологических процессов, высвобождающих диметилсульфид, или естественным сжиганием, например, при лесных пожарах. Большое количество диоксида серы может выбрасываться в атмосферу также в результате извержений вулканов. Единица Добсона используется для описания общего количества диоксида серы в столбце, поскольку она появилась на заре дистанционного зондирования озона на ультрафиолетовых спутниковых приборах (таких как ТОМС ).

Вывод

Единица Добсона возникает из закона идеального газа

${\displaystyle PV=nRT,}$

где п и V - давление и объем соответственно, а п, р и Т - количество молей газа, газовая постоянная (8,314 Дж / (моль · К)) и Т это температура в кельвины (К).

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 (молекулы / объем) воздуха при стандартной температуре и давлении (Т = 273 К и п = 101325 Па), используя это уравнение,

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

С некоторыми преобразованиями единиц джоулей в паскаль кубических метров уравнение для молекул / объема 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 следового газа на единицу площади. В атмосферных науках это называется плотностью столба. Но как же перейти от единиц молекул на кубический метр, объем, к молекулам на квадратный сантиметр, площадь? Это должно быть сделано путем интеграции. Чтобы получить плотность столбцов, 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, получаем значение 1 DU, которое составляет 2,69.×10²⁰ молекул на квадратный метр.

использованная литература

1. "Наблюдение за озоновой дырой: факты о единицах Добсона".
2. ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Блок Добсона в химии атмосферы ". Дои:10.1351 / goldbook.D01827
3. Стахелин, Йоханнес (2008). «Глобальный мониторинг атмосферного озона». Бюллетень ВМО. 57 (1).
4. Farman, J.C .; Gardiner, B.G .; Шанкин, Дж. Д. (1985). «Большие потери общего содержания озона в Антарктиде свидетельствуют о сезонном ClO_Икс/ НЕТ_Икс взаимодействие ». Природа. 315 (16 мая 1985 г.): 207–210. Bibcode:1985Натура.315..207F. Дои:10.1038 / 315207a0.
5. Рид Э. Башер (1982). «Единицы измерения количества озона и других атмосферных газов в колонке». Кварта. J. Royal Met. Soc. 108 (456): 460–462. Дои:10.1002 / qj.49710845611.
6. С. Э. Шварц; П. Варнек (1995). «Агрегаты для использования в химии атмосферы». Pure Appl. Chem. 67 (8–9): 1377–1406. Дои:10.1351 / pac199567081377.
7. «Наблюдение за озоном НАСА: последнее состояние озона». Озоновая дыра. Получено 8 марта 2017.
8. "WOUDC - Всемирный центр данных по озону и ультрафиолетовому излучению". WOUDC. Получено 8 марта 2017.
9. "Озоновая дыра". НАСА. Получено 2007-10-21.