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Partikelaustausch
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Der Austausch von Substanzen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean kann Partikel einschließen. Dies ist besonders relevant, wenn man den Übergang von CO2-Molekülen aus der Atmosphäre in den Ozean untersucht.
Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles, Peter S. Liss, Martin T. Johnson (eds.). Springer, 2014
Chapter: Transfer Across the Air-Sea Interface
ID:(1630, 0)
Partikelaustausch
Storyboard
Der Austausch von Substanzen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean kann Partikel einschließen. Dies ist besonders relevant, wenn man den Übergang von CO2-Molekülen aus der Atmosphäre in den Ozean untersucht. Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles, Peter S. Liss, Martin T. Johnson (eds.). Springer, 2014 Chapter: Transfer Across the Air-Sea Interface
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Wenn wir den Gasfluss $F$ und die Transportgeschwindigkeit $k$ betrachten, basierend auf der allgemeinen Beziehung:
Wenn wir die Konzentrationsdifferenz $C_0 - C_b$ durch die Differenz des Partialdrucks des Gases unter Verwendung der L slichkeit $\alpha$ ersetzen, erhalten wir:
$C_0 - C_b = \alpha \Delta p_{CO2}$
erhalten wir:
Im Modell der Monin-Obukhov- hnlichkeitstheorie (MOST) wird der Fluss von Elementen wie Gasen gesch tzt, indem die Konzentrationsdifferenz zwischen Luft und Wasser ber cksichtigt wird, dargestellt durch
$C_z - C_0$
und der Fluss wird unter Verwendung des bertragungskoeffizienten $D_C$ und der Oberfl chengeschwindigkeit $U_z$ berechnet, wie folgt:
Damit kann der Fluss der Elemente zwischen Luft und Wasser abgesch tzt werden.
Der diffusive Fluss $F$ wird durch das Fick\'sche Gesetz beschrieben:
wobei $D$ die Diffusionskonstante und $dC/dx$ das Konzentrationsgef lle ist. Wenn wir eine Transfergeschwindigkeit wie folgt definieren:
k nnen wir eine Flussequation der Form definieren:
Beispiele
Die Absorption von CO2 durch die Ozeane tr gt dazu bei, die Auswirkungen dieses Gases in der Atmosph re zu mildern und verz gert somit den Klimawandel. Die involvierten Prozesse sind jedoch komplexer und umfassen:
- Gasausstausch mit der Atmosph re: Der Ozean und die Atmosph re tauschen st ndig CO2 durch Gasaustausch aus. Das atmosph rische CO2 l st sich in der Oberfl che des Ozeans auf und bildet Kohlens ure (H2CO3), die dann in Wasserstoffionen (H+) und Bicarbonationen (HCO3-) dissoziiert. Dieser Prozess hilft, das Gleichgewicht der CO2-Konzentrationen zwischen dem Ozean und der Atmosph re zu halten.
- Photosynthese und Atmung: Marine Organismen wie Phytoplankton und Algen betreiben Photosynthese und nehmen CO2 aus dem Wasser auf, um organische Substanz zu produzieren und Sauerstoff freizusetzen. Dieser Prozess, als Kohlenstofffixierung bekannt, hilft, CO2 aus dem Ozean zu entfernen. Andererseits atmen marine Organismen auch, was bedeutet, dass sie CO2 ins Wasser abgeben w hrend der Zersetzung organischer Substanz.
- Ozeanzirkulation: Der Ozean zeichnet sich durch seine globale Zirkulation aus, bei der Str mungen CO2-reiches Wasser von der Oberfl che in die Tiefe und umgekehrt transportieren. Dies tr gt zur Verteilung und Durchmischung von CO2 im gesamten Ozean bei und erm glicht es den Tiefenwassern, gro e Mengen an gel stem CO2 zu speichern.
- Sedimentation und Einbettung: Ein Teil der von marinen Organismen produzierten organischen Substanz, einschlie lich des durch Photosynthese aufgenommenen CO2, kann zum Meeresboden sinken. Wenn sich Sedimente ber geologische Zeitr ume ansammeln, kann der organische Kohlenstoff eingebettet und ber lange Zeitr ume im Meeresboden gespeichert werden.
Abh ngig von der Region und der Zeit auf dem Planeten gibt es in der Atmosph re eine h here Kohlenstoffkonzentration als im Ozean oder umgekehrt, und bestimmt so, ob der Kohlenstofffluss von der Luft ins Wasser oder umgekehrt erfolgt.
In einer ersten N herung ist die Abh ngigkeit von die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) in Bezug auf die relative Geschwindigkeit, die durch Subtraktion von der Velocidad del agua ($u_w$) von der Velocidad del aire ($u_a$) berechnet wird, proportional zu
$k_w \propto u_a - u_w$
wie im Diagramm dargestellt:
Die Beziehung zwischen die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) ist indirekt proportional zu der Schmidt-Nummer ($Sc$), daher wird sie als proportional zu dieser Zahl, hoch ERROR:9926, ausgedr ckt, die negativ ist:
$k_w\propto Sc^n$
was mit ERROR:9926 gleich -0,5 dargestellt wird:
Die Beweglichkeit von Molek len, dargestellt durch die Gaslöslichkeit ($\alpha$), wird als Funktion der Partikelkonzentration modelliert, die durch der Schmidt-Nummer ($Sc$) charakterisiert ist. Diese wird wiederum aus den Parametern der Viscosidad en masa acuosa ($\eta$), der Densidad en capa de masa acuosa ($\rho$) und der Constante de difusión en masa acuosa ($D$) mithilfe des folgenden Ausdrucks berechnet:
Diese Beziehung wird im folgenden Diagramm visualisiert:
Die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) kann mithilfe gemessener Daten modelliert werden. Erstens h ngt es von der Geschwindigkeit ab, mit der das System Kohlenstoff von der Luft-Wasser-Grenzfl che entfernt, wodurch die Transportgeschwindigkeit proportional zur Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Medien wird.
Zweitens gibt es einen Effekt der Ionenmobilit t, der durch der Schmidt-Nummer ($Sc$) beschrieben werden kann und die Beziehung zwischen Impulsdiffusion und Partikeln darstellt. Diese Abh ngigkeit ist jedoch nicht linear und wird durch einen Faktor ERROR:9926 beeinflusst, der je nach Oberfl chenrauheit zwischen -1/2 und -2/3 variiert.
Schlie lich h ngt die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) auch von der Factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) ab, die wiederum durch das Rauheitsniveau der Oberfl che bestimmt wird.
Zusammenfassend wird das Gas die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) als Funktion von der Velocidad del agua ($u_w$), der Velocidad del aire ($u_a$), der Schmidt-Nummer ($Sc$), der Factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) und ERROR:9926 wie folgt beschrieben:
Da der diffusive Fluss $F$ mit dem Gesetz von Fick modelliert werden kann:
k nnen wir eine Beziehung zwischen der Transfergeschwindigkeit $k$ und der Konzentrationsdifferenz $\Delta C$ wie folgt herstellen:
Mit dem Modell der Monin-Obukhov- hnlichkeitstheorie (MOST) kann der Fluss von Elementen wie Gasen unter Ber cksichtigung der Verschiebung der Oberfl che und eines bertragungskoeffizienten gesch tzt werden. Dies wird wie folgt ausgedr ckt:
Der Konzentrationsunterschied zwischen die Gaskonzentration in der Atmosphäre ($C_{a,0}$) und die Gaskonzentration im Wasser ($C_{w,0}$) h ngt von die Gaslöslichkeit ($\alpha$) ab. Daher wird die folgende Beziehung hergestellt:
Die Transfergeschwindigkeit einer Gr e $k$ wird als Fluss $F$ geteilt durch die Konzentrationsdifferenz zwischen den beiden Medien definiert, dargestellt als
$C_0-C_b$
Daher kann sie wie folgt ausgedr ckt werden:
Die Gasübertragungsrate in Luft ($k_a$) kann aus dem Fick'schen Gesetz gesch tzt werden, indem der Constante de difusión en masa acuosa ($D$) mit der Grosor de la capa superficial ($\delta_c$) wie folgt verglichen wird:
Die bertragungsgeschwindigkeit von CO2 von der Atmosph re auf das Wasser kann mit einer Gleichung modelliert werden, die der allgemeinen Regel hnelt
In diesem Modell wird der Konzentrationsunterschied durch den Unterschied des Partialdrucks des Gases und seiner L slichkeit $\alpha$ ersetzt. Die Gleichung kann wie folgt ausgedr ckt werden:
Der Gasparameter die Gasübertragungsrate in Wasser ($k_w$) wird in Bezug auf der Velocidad del agua ($u_w$), der Velocidad del aire ($u_a$), der Schmidt-Nummer ($Sc$), der Factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) und ERROR:9926 wie folgt beschrieben:
Wenn wir davon ausgehen, dass es einen kontinuierlichen bergang in der Energiedichte an der Grenzfl che zwischen Luft und Wasser gibt und diese Energie kinetischer Natur ist, dann k nnen wir mit die Luftdichte ($\rho_a$), der Velocidad del aire ($u_a$) und der Densidad del agua ($\rho_w$), der Velocidad del agua ($u_w$) die folgende Beziehung herleiten:
$\rho_a u_a^2=\rho_w u_w^2$
Daher k nnen wir die Beziehung aufstellen:
Zus tzlich k nnen wir ber cksichtigen, dass die Energiedichte dieselbe Einheit wie die Oberfl chenspannung hat, was die Gleichheit erkl rt, da in einem Gleichgewichtssystem die Spannungen gleich sein m ssen.
Die Schmidt-Zahl stellt eine Beziehung zwischen der viskosen Diffusion
und der Partikeldiffusion
Die viskose Diffusion entspricht dabei der Viskosit t geteilt durch die Dichte, w hrend die Partikeldiffusion durch die Diffusionskonstante beschrieben wird. Daher wird sie wie folgt definiert:
El grosor de la superficie y de la capa viscosas son proposicionales siendo la constante una funci n de la constante difusi n, viscosidad y densidad.
Por ello con
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