aer

Compoziția gazului
aerului în% în volum

După cum aerul este numit amestecul de gaz a atmosferei Pământului . Aerul uscat constă în principal din cele două gaze azot (în jur de 78,08  % în volum ) și oxigen (în jur de 20,95% în volum). Există, de asemenea, componentele argon (0,93% în volum), dioxidul de carbon (0,04% în volum) și urmele altor gaze.

Particulele solide și lichide, numite aerosoli , sunt, de asemenea, componente ale aerului. Cantitatea medie de apă și vapori de apă din întreaga atmosferă a Pământului este de 0,4% în volum. Aceste componente sunt listate separat.

Aerul conține, de asemenea, praf și particule biologice (de exemplu , polen , ciuperci și spori de ferigă ). În starea sa naturală, este inodor și insipid pentru oameni.

De regulă, densitatea aerului la nivelul mării este de aproximativ 1,25 kg / m ³ - adică doar 1/800 cea a apei - și este influențată semnificativ de temperatură, conținutul de vapori de apă și presiune, care scade odată cu altitudinea. În cilindrii de aer comprimat cu o presiune de obicei de la 5 la 300 bari (0,5 până la 30 megapascali), aerul la 27 ° C are de aproximativ 5 până la 270 de ori densitatea aerului la 1 bar (presiunea aproximativ atmosferică la nivelul mării).

Răspândirea Rayleigh în atmosferă duce la cer albastru și soare galben la roșu

Difuzia luminii

Moleculele de gaz (azot, oxigen etc.) care apar în aer împrăștie lumina soarelui incidentă la diferite grade, în funcție de lungimea de undă a acesteia ( împrăștierea Rayleigh ). Lumina albastră cu unde scurte este cel mai puternic împrăștiată. Acest proces conferă aerului culoarea albastră de obicei naturală , un model parțial polarizat . Dacă calea luminii prin aer este mai lungă, împrăștierea se schimbă într-o nuanță roșiatică. Acest lucru depinde de unghiul de incidență al soarelui. Dacă soarele se află la zenit (direct deasupra vizualizatorului -90 ° la sol), lumina trece prin atmosfera terestră pe o lungime de 90 km. În timpul răsăritului / apusului soarelui, soarele este la orizont (în linia orizontală a ochilor observatorului -0 ° până la sol) și traversează atmosfera cu o lungime de aproximativ 12 ori (aproximativ 1075 km). Pe măsură ce lumina călătorește prin atmosferă, componenta albastră este suprapusă de componenta roșie, deoarece componenta albastră este din ce în ce mai împrăștiată, iar componenta roșie este mai puțin împrăștiată datorită lungimii sale de undă mai mari. Acest efect atmosferic poate fi observat doar cu un orizont fără nori dimineața cu puțin înainte de răsăritul soarelui și seara la scurt timp după apusul soarelui. Este cunoscut sub numele de zori sau roșii de seară și variază în culori de la roz deschis la violet, până la roșu complet până la portocaliu intens.

În afară de împrăștierea elastică a fotonilor, împrăștierea inelastică poate fi observată și în atmosferă: împrăștierea rotativă raman conduce la o redistribuire a energiilor radiației de intrare în câțiva 10 cm ⁻¹ și astfel duce la o „umplere” liniile Fraunhofer, așa-numitul efect de inel. Cu o rezoluție spectrală de 0,5 nm, acest efect duce la grosimi optice de până la 2% atunci când lumina cerului împrăștiată din diferite poziții ale soarelui este comparată. Acest efect trebuie corectat în diferite metode de teledetecție DOAS pentru măsurarea urmelor de gaze.

Mai mult, împrăștierea vibrațională a ramanului pe moleculele de aer poate schimba numărul de unde al fotonilor care intră de la 1550 cm ^-1 (O ₂ ) și 2330 cm ^-1 (N ₂ ) și astfel pot plasa o imagine schimbată în lungime de undă a soarelui peste lumina soarelui observată . Intensitatea sa este de până la 0,04% din intensitatea inițială.

compoziţie

Proporțiile gazelor atmosferice nu sunt constante naturale . În dezvoltarea atmosferei terestre , care se desfășoară de miliarde de ani , compoziția sa schimbat constant și fundamental de mai multe ori. Principalele componente au fost în mare măsură stabile de 350 de milioane de ani. Amestecul curent pentru aer uscat este prezentat în tabelul din dreapta, prin care se face distincția între componentele principale și gazele de urmărire. Concentrațiile declarate reprezintă valori medii globale pentru troposfera liberă . Componentele chimic stabile sunt uniforme în întreaga homosferă, în afară de surse , adică până la o altitudine de aproximativ 100 km. Există gradienți considerabili în cazul substanțelor urme reactive .

Separarea în componente

Lichefiat la temperatură scăzută, aerul lichid poate fi descompus în părțile sale constitutive prin distilare fracționată ; acest lucru se face de obicei cu ajutorul procesului Linde .

Ingrediente principale

azot

Principalul constituent al aerului este inert din punct de vedere chimic . Este legat organic de fixarea azotului natural (biotic și abiotic) și, astfel, poate fi utilizat pentru ființele vii . Din punct de vedere tehnic, azotul din aer este utilizat pentru fabricarea îngrășămintelor prin procesul Haber-Bosch . Procesul chimic opus - denitrificarea are loc mai rapid, astfel încât ciclul azotului nu modifică cu greu conținutul de azot din atmosferă.

Radiația cosmică produce cantități mici de carbon radioactiv ( ¹⁴ C) din azotul din aer , care este utilizat pentru datarea arheologică cu metoda radiocarbonului .

oxigen

Oxigenul molecular din aer s-a format în principal din apă prin fotosinteză , cantitatea produsă în cursul istoriei pământului fiind de aproximativ douăzeci de ori cantitatea prezentă în atmosferă astăzi. Acesta conferă atmosferei caracterul său oxidant și este cel mai important agent oxidant necesar pentru respirația biologică și procesele de ardere chimică .

Oxigenul conținut în aer este necesar pentru ca toate organismele aerobe să trăiască. Prin respirație, ei alimentează oxigen în metabolismul lor pentru combustie ( catabolism ). Plantele folosesc dioxidul de carbon conținut în aer pentru fotosinteză și separă oxigenul în acest proces. Pentru aproape toate plantele, aceasta este singura sursă de carbon pentru procesele vitale și substanța corpului ( anabolism ). În acest proces organic, aproape tot oxigenul din aer este regenerat. Ciclul de oxigen permite menținerea și distribuirea unei aprovizionări permanente a resurselor pentru aerobi și plante fotosintetică activă.

Conținutul global actual de oxigen atmosferic rămâne remarcabil de constant la un nivel de 20,946 ± 0,006 vol.%, Cu o ușoară scădere de 0,0004 vol.% / An (4 ppmv / a), care este corelat cu dioxidul de carbon din combustibilii fosili și arderea biomasei.

argon

Ca gaz nobil, argonul este extrem de inert și relativ comun cu un conținut de aproape 1%. Este ieftin și este utilizat ca gaz inert, de exemplu la sudarea metalelor și la umplerea lămpilor cu incandescență. Acolo și ca umplutură de sticlă izolatoare cu mai multe panouri , se folosește conductivitatea termică oarecum mai mică în comparație cu aerul. ( În cazuri speciale , kriptonul scump și rar este folosit ca gaz izolator termic și mai bun.)

Argonul este creat încet prin degradarea radioactivă a potasiului -40, este stabil și mai dens decât aerul și, prin urmare, rămâne în atmosferă.

Aburi

Aerul ambiant nu este „uscat”, ci conține apă în stare gazoasă de agregare ( vapori de apă ), care este denumită umiditate a aerului . Conținutul de vapori de apă fluctuează între o zecime de procente de volum la poli și trei procente de volum la tropice , cu o medie de 1,3 procente de volum în apropierea solului. Deoarece proporția de vapori de apă reduce densitatea aerului (62,5% din densitatea aerului "uscat"), aerul mai umed este împins în sus, unde condensul apare apoi în straturi mai reci , adică conținutul de vapori de apă din amestecul de gaze scade . Conținutul de vapori de apă este foarte scăzut deasupra straturilor de condens, astfel încât, în medie pe întreaga atmosferă, există doar 0,4% în volum de vapori de apă în aer.

Urme de gaze

Fluctuații mai mari de-a lungul câtorva ani și decenii pot fi observate și în gazele de urmărire. Concentrațiile lor scăzute pot fi influențate de emisii relativ scăzute. Erupțiile vulcanice au, de asemenea, adesea un impact pe termen scurt.

dioxid de carbon

Din punct de vedere al proporției sale, dioxidul de carbon este un gaz de urmărire, dar - luând în considerare vaporii de apă - este al cincilea cel mai frecvent gaz atmosferic. Datorită importanței sale pentru climă și ființe vii, este adesea numărată printre componentele principale ale aerului.

Principala semnificație biologică a dioxidului de carbon (denumită în mod colocvial adesea dioxid de carbon) constă în rolul său de sursă de carbon pentru fotosinteză. Concentrația atmosferică de dioxid de carbon are un efect puternic asupra creșterii plantelor. Datorită ciclului metabolic al plantelor dependent de lumină, adică a relației dintre respirație și fotosinteză, concentrațiile de CO ₂ apropiate de sol fluctuează pe parcursul zilei. Dacă există o acoperire vegetală suficientă, există un maxim nocturn și, în consecință, un minim în timpul zilei. Același efect este prezent și în cursul anului, deoarece vegetația extra-tropicală are perioade pronunțate de vegetație . În emisfera nordică, există un maxim în martie până în aprilie și un minim în octombrie sau noiembrie. Sezonul de încălzire contribuie, de asemenea, la acest lucru prin consumul crescut de combustibili fosili.

În general, conținutul de dioxid de carbon a crescut cu peste 40% de la începutul industrializării . În legătură cu efectul de seră antropogen , aceasta este una dintre cauzele încălzirii globale , pentru care se aplică o valoare de referință în climatul geologic de mai puțin de 100 de ani. În 2013, concentrația de CO ₂ la stația de măsurare Mauna Loa a depășit 400 ppm pentru prima dată.

gaze nobile

În timp ce argonul este unul dintre principalii constituenți ai aerului cu aproximativ 1% (vezi mai sus), celelalte gaze nobile neon , heliu și cripton cu proporții de volum> 1 ppm aparțin fiecărui gaz de urmărire (vezi tabelul). Xenonul este și mai rar (fracție de volum <0,1 ppm). Radonul este cel mai rar gaz nobil din aer (fracțiunea medie a volumului 1:10 ²¹ ), dar - în funcție de izotop - poate fi ușor determinat prin radioactivitatea sa.

Heliul este eliberat odată cu fiecare degradare alfa radioactivă. Heliul este mult mai ușor decât aerul și scapă în spațiu. Al doilea cel mai ușor neon cu gaz nobil se evaporă acolo, astfel încât doar urme ale acestor două există în atmosferă.

Radonul scapă din unele roci ca o legătură în seria de dezintegrare radioactivă , care se poate acumula în pivnițe și continuă să se descompună radiant.

ozon

Pentru stratosferă, valorile ozonului sunt adesea date în unități Dobson , mai degrabă decât în ​​fracțiuni . Deoarece valorile depind și de altitudine ( stratul de ozon , ozonul de la nivelul solului ), precum și de situația vremii, temperatura, poluarea și ora din zi, iar ozonul se formează și se descompune rapid, această valoare este foarte variabilă. Datorită reactivității ridicate a ozonului, acesta joacă un rol central în reacțiile chimice de diferite tipuri din atmosferă. Un exemplu este ODE-urile ( evenimente de epuizare a ozonului ), în timpul cărora pot fi observate în mod regulat scăderi puternice ale concentrației de ozon de la 20-40 ppb la <5 ppb în timpul primăverii polare. Aceste fenomene sunt cauzate, de exemplu, de eliberarea de halogeni prin procese naturale sau de amestecarea maselor de aer. Concentrațiile tipice de ozon în latitudinile temperate și zonele populate sunt cu 30-60 ppb în emisfera nordică și tind să fie cu aproximativ 10 ppb mai mici în emisfera sudică datorită rolului pe care ozonul îl joacă în chimia oxidului de azot .

Monoxid de carbon

Monoxidul de carbon (colocvial adesea menționată ca monoxidul de carbon) este un invizibil, inflamabile, otrăvitoare gaz care este produs atunci când substanțele care conțin carbon nu sunt complet arse . Blochează transportul de oxigen în sânge ( intoxicația cu monoxid de carbon ) și, chiar și în doze mici, poate duce la moarte. De asemenea, dăunează fotosintezei plantelor . Formează z. B. în fumatul de tutun și în motorul cu ardere internă . Eșapamentele pentru mașini și aeronave fără tratarea ulterioară a eșapamentului de către un convertor catalitic al vehiculului pot conține până la 4% CO, valoarea standard pentru fumul de tutun . Incendiile de vegetație sunt principala sursă de monoxid de carbon, reprezentând aproximativ 60% din emisiile la nivel mondial.

Alte urme de gaze (selecție)

• metan
• hidrogen
• Oxid de azot și alți oxizi de azot
• Radical hidroxil
• Nitrat de peroxiacetil
• Oxizi de clor , oxizi de iod și oxizi de brom și iod molecular
• Dioxidul de sulf , pe lângă sursele antropice, în principal din dimetil sulfură și vulcani.
• compuși organici, care sunt adesea formați prin oxidare sau fotoliză din compuși organici cu lanț mai lung (de exemplu , pinen vegetal , formaldehidă și glioxal )
• hidrocarburi halogenate de natură biogenă și antropică

Cantități fizice de aer

Greutatea moleculară medie

Masa molară medie este suma produselor maselor molare și a proporțiilor molare ale constituenților, în principal oxigen, azot și argon. Pentru aerul uscat, valoarea exactă este de 28,949 g / mol . Dacă aerul conține încă umiditate, masa molară medie este mai mică, deoarece masa molară a vaporilor de apă este de numai aprox 18 g / mol.

Etanșeitatea la aer

În condiții normale , densitatea aerului este egală cu 1,293 kg / m ³ .

Presiunea aerului

Greutatea coloanei de aer creează o statică presiune. Conform formulei altitudinii barometrice, această presiune depinde de altitudinea deasupra nivelului mării . În plus, presiunea aerului depinde de vreme. Vântul și schimbările generale ale vremii provoacă fluctuații ale presiunii aerului. Prin urmare, un barometru pentru măsurarea presiunii aerului face parte din echipamentul de bază al stațiilor meteorologice . Peste un metru pătrat de suprafață, masa de aer este de aproximativ 10.000 kg, corespunzând presiunii aerului.

Temperatura aerului

Temperatura aerului este temperatura aerului apropiată de sol, care nu este influențată nici de radiația solară, nici de căldura solului sau de conducerea căldurii . Definiția exactă în știință și tehnologie este diferită. În meteorologie , temperatura aerului este măsurată la o înălțime de doi metri, ceea ce este adesea realizat de casele meteo vopsite în alb în aer liber.

umiditate

Umiditatea este proporția vaporilor de apă din aer. Este specificat folosind diferite măsuri de umiditate, cum ar fi presiunea vaporilor și punctul de rouă , precum și umiditatea relativă, absolută și specifică.

Alte valori

În condiții normale , viteza sunetului în aer este de 331,5 m / s.

Indicele de refracție al aerului în condiții normale de lumină vizibilă este de aproximativ 1,00029. Valoarea depinde de presiunea, temperatura și compoziția aerului, dar mai ales de umiditate. Deoarece este aproximativ proporțional cu presiunea aerului, indicele de refracție poate fi determinat cu un interferometru Michelson , al cărui braț se extinde printr-o zonă de presiune variabilă a aerului. Indicele de refracție este determinat din diferența de lungime a căii optice rezultate cu o diferență de presiune cunoscută. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n-1}$

Capacitate termică specifică în condiții normale:

${\ displaystyle c_ {p} \, = \, 1 {,} 005 \; \ mathrm {kJ} / (\ mathrm {kg} \ cdot {\ mathrm {K}})}$( schimbare de stare izobarică )

${\ displaystyle c_ {v} \, = \, 0 {,} 718 \; \ mathrm {kJ} / (\ mathrm {kg} \ cdot {\ mathrm {K}})}$( schimbare izocorică de stare )

Conductivitatea termică a aerului este în condiții normale . ${\ displaystyle \ lambda}$${\ displaystyle 0 {,} 0261 \; {\ mathrm {W}} / ({\ mathrm {m}} \ cdot {\ mathrm {K}})}$

Poluarea aerului și controlul poluării aerului

Poluarea aerului este legată de aspectul de aer al poluării . Conform Legii federale privind controlul imisiilor , poluarea aerului este o modificare a compoziției naturale a aerului, în special datorită fumului , funinginei , prafului , aerosolilor , vaporilor sau substanțelor mirositoare . Valorile crescute ale ozonului sunt importante pentru concentrațiile de smog și dioxid de sulf pentru ploile acide , dar și concentrațiile de oxizi de azot și compuși organici volatili , care la rândul lor au o influență majoră asupra chimiei aerului.

În majoritatea țărilor industrializate, poluarea aerului local a scăzut brusc în ultimele decenii din cauza cerințelor legale pentru controlul poluării aerului . În același timp, emisia de gaze cu efect de seră precum dioxidul de carbon a continuat să crească. Poluarea atmosferică locală și regională este încă o problemă semnificativă pentru țările lumii a treia și economiile emergente precum China .

Efectele gazelor urme sunt diverse și, de asemenea, se influențează reciproc în mare măsură. De exemplu, datorită rolului său în chimia radicalilor hidroxilici în straturile de aer apropiate de sol, ozonul joacă nu numai rolul unui poluant și al gazelor cu efect de seră, este esențial pentru mecanismele de autocurățare ale atmosferei în ansamblu.

O cantitate deosebit de mare de microplastic a fost detectată în aer în Londra . De asemenea, pesticidele sunt detectabile în aer și sunt suflate pe distanțe mari.

Semnificație culturală

Filozofii naturali greci au considerat că aerul este unul dintre cele patru elemente de bază care alcătuiesc toată ființa. Octaedrul a fost atribuit elementului aer ca unul dintre cele cinci solide platonice . Asteroidul centurii centrale centrale (369) Aëria poartă numele aerului.

literatură

• Horst Stöcker : Carte de buzunar a fizicii. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt pe Main 2007, ISBN 978-3-8171-1720-8 .
• Robert Boyle : Istoria generală a aerului. Editat și completat de John Locke . Awnsham și John Churchill, Londra 1692.

Link-uri web

Wikționar: Luft  - explicații privind semnificațiile, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Dezvoltarea proporțiilor de gaze în aer în ultimii 15 ani

Dovezi individuale

1. ↑ Compresibilitatea aerului ca gaz real: manualul inginerilor chimici Perry , ediția a 6-a, McGraw-Hill, 1984, ISBN 0-07-049479-7 , pp. 3-162.
2. ↑ M. Vountas, VV Rozanov, JP Burrows: Efect inelar: Impactul împrăștierii rotaționale Raman asupra transferului radiativ în atmosfera Pământului. În: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 60.6, 1998, pp. 943-961.
3. ^ JF Grainger, J. Ring: profiluri de linie anormale Fraunhofer. În: Natura. 193, 1962, p. 762.
4. ↑ Derek Albert Long: spectroscopie Raman. McGraw-Hill, New York 1977, ISBN 0-07-038675-7 .
5. ^ ^{A b c} Elizabeth Kay Berner, Robert A. Berner: Mediul global Cicluri de apă, aer și geochimice . Princeton University Press, 2012, ISBN 978-0-691-13678-3 , pp. 25 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
6. ↑ Organizația Meteorologică Mondială: Concentrațiile de gaze cu efect de seră în atmosferă ating încă un alt nivel | Organizația Meteorologică Mondială , accesat la 26 noiembrie 2019
7. ↑ ^{a b} Serviciul meteo german: vreme și climă - gaze cu efect de seră (CO2, CH4, N2O) , accesat la 26 noiembrie 2019
8. ↑ ^{a b c d e f} Detlev Möller: Aerul: chimie, fizică, biologie, curățenie, lege. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 3-11-016431-0 , p. 173 (previzualizare pe Google Books) (accesat la 27 martie 2012).
9. ↑ ^{a b c d e f} Bullister, JL (2017). Istorii atmosferice (1765-2015) pentru CFC-11, CFC-12, CFC-113, CCl4, SF6 și N2O (NCEI Accession 0164584). NOAA Centre Naționale pentru Informații de Mediu. Set de date nepublicat. doi: 10.3334 / CDIAC / otg.CFC_ATM_Hist_2015., accesat la 26 noiembrie 2019
10. ↑ Serviciul meteo german: vreme și climă - monoxid de carbon (CO) , accesat la 26 noiembrie 2019
11. ↑ ^{a b c} Pingyang Li, Jens Mühle și colab. Istorii, rate ale atmosferei de creștere și solubilități în apă de mare și alte ape naturale ale potențialelor trasorilor tranzitorii HCFC-22, HCFC-141b, HCFC-142B, HFC-134a, HFC-125 , HFC -23, PFC-14 și PFC-116. În: Știința Oceanului. 15, 2019, p. 33, doi : 10.5194 / os-15-33-2019 .
12. ↑ ^{a b} Martin K. Vollmer, Jens Mühle și colab.: Istorii atmosferice și emisii globale de haloni H-1211 (CBrClF), H-1301 (CBrF) și H-2402 (CBrF CBrF). În: Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 121, 2016, p. 3663, doi : 10.1002 / 2015JD024488 .
13. ^ Jianping Huang, Jiping Huang și colab.: Bugetul global de oxigen și proiecția sa viitoare. În: Buletin științific. 63, 2018, p. 1180, doi : 10.1016 / j.scib.2018.07.023 .
14. ↑ Duursma Ek, Boisson Mprm (1994). Stabilitatea globală a oxigenului oceanic și atmosferic luată în considerare în raport cu ciclul carbonului și cu diferite scale de timp. Oceanologica Acta, 17 (2), 117-141. Versiune Open Access: https://archimer.ifremer.fr/doc/00099/21024/
15. ^ Curba Keeling O înregistrare zilnică a dioxidului de carbon atmosferic
16. ↑ Stöcker 2007, p. 714.
17. ↑ John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis: Chimie și fizică atmosferică: de la poluarea aerului la schimbările climatice. John Wiley & Sons, 2012.
18. ^ Damian Carrington: Dezvăluit: poluarea microplastică plouă peste locuitorii orașelor. În: theguardian.com . 27 decembrie 2019, accesat pe 28 decembrie 2019 . 
19. ↑ Tina Berg: Pesticide: Pericol în aer. În: observator.ch . 27 martie 2019, accesat pe 13 aprilie 2019 . 
20. ^ Lutz D. Schmadel : Dictionary of Minor Planet Names . A cincea ediție revizuită și mărită. Ed.: Lutz D. Schmadel. Ediția a 5-a. Springer Verlag , Berlin , Heidelberg 2003, ISBN 978-3-540-29925-7 , pp.  186 (engleză, 992 pp., Link.springer.com [ONLINE; accesat la 24 octombrie 2019] Titlu original: Dictionary of Minor Planet Names . Prima ediție: Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1992): „Discovered 1893 July 4 by A . Borrelly la Marsilia. "