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Intercambio de partículas
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El intercambio de sustancias entre la atmósfera y el océano puede incluir partículas. Esto es particularmente relevante al estudiar la transferencia de moléculas de CO2 desde la atmósfera hacia el océano.
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)
Intercambio de partículas
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El intercambio de sustancias entre la atmósfera y el océano puede incluir partículas. Esto es particularmente relevante al estudiar la transferencia de moléculas de CO2 desde la atmósfera hacia el océano. 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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Si se considera el flujo del gas $F$ y la velocidad de transporte $k$ con la relaci n gen rica
Si se reemplaza la diferencia de concentraciones $C_0-C_b$ con la diferencia de la presi n parcial del gas usando la solubilidad $\alpha$ de modo que:
$C_0 - C_b = \alpha \Delta p_{CO2}$
se obtiene
En el modelo de similitud de Monin-Obukhov (MOST), se estima el flujo de elementos como gases mediante la diferencia de concentraciones entre el aire y el agua, representada por
$C_z - C_0$
y se calcula el flujo utilizando el coeficiente de transferencia $D_C$ y la velocidad de la superficie $U_z$, de la siguiente manera:
De esta forma, se obtiene el flujo estimado de los elementos entre el aire y el agua.
El flujo difusivo $F$ es descrito por la ley de Fick:
donde $D$ es la constante de difusi n y $dC/dx$ es el gradiente de concentraci n. Si definimos una velocidad de transferencia de la siguiente manera:
podemos establecer una ecuaci n de flujo de la forma:
Ejemplos
El CO2 es absorbido por los oc anos contribuyendo a frenar el efecto de este gas en la atm sfera y retrasando por ello el cambio clim tico. Sin embargo los procesos son m s complejos e incluyen:
- Intercambio gaseoso con la atm sfera: El oc ano y la atm sfera est n en constante intercambio de CO2 a trav s de la difusi n de gases. El CO2 atmosf rico se disuelve en la superficie del oc ano y forma cido carb nico (H2CO3), que a su vez se disocia en iones hidr geno (H+) y bicarbonato (HCO3-). Este proceso ayuda a equilibrar los niveles de CO2 entre el oc ano y la atm sfera.
- Fotos ntesis y respiraci n: Los organismos marinos, como el fitoplancton y las algas, realizan la fotos ntesis y toman CO2 del agua para producir materia org nica y liberar ox geno. Este proceso, conocido como fijaci n de carbono, ayuda a extraer CO2 del oc ano. Por otro lado, los organismos marinos tambi n respiran, lo que significa que liberan CO2 al agua durante el proceso de descomposici n de la materia org nica.
- Circulaci n oce nica: El oc ano se caracteriza por su circulaci n global, en la cual las corrientes transportan agua rica en CO2 desde la superficie hacia las profundidades y viceversa. Esto contribuye a la distribuci n y mezcla del CO2 en todo el oc ano, permitiendo que las aguas profundas almacenen grandes cantidades de CO2 disuelto.
- Sedimentaci n y enterramiento: Parte de la materia org nica producida por los organismos marinos, incluido el CO2 capturado a trav s de la fotos ntesis, puede hundirse hacia el fondo del oc ano. A medida que los sedimentos se acumulan a lo largo del tiempo geol gico, el carbono org nico se entierra y puede quedar almacenado en el fondo marino durante per odos muy largos.
Seg n la zona y epoca del planeta existe una concnetraci n de carbolno mayor en la atmosfera que en el oceano o vice versa y con ello definiendo si el flujo de carbono es del aire al agua o viceversa.
Seg n la zona y epoca del planeta existe una concnetraci n de carbolno mayor en la atmosfera que en el oceano o vice versa y con ello definiendo si el flujo de carbono es del aire al agua o viceversa.
En una primera aproximaci n, la dependencia de la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) con respecto a la velocidad relativa, calculada restando el velocidad del agua ($u_w$) de el velocidad del aire ($u_a$), es proporcional a
$k_w \propto u_a - u_w$
como se observa en el gr fico:
La relaci n entre la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) es inversamente proporcional a el número de Schmidt ($Sc$), por lo que se expresa proporcional a dicho n mero elevado a ERROR:9926, que es negativo:
$k_w\propto Sc^n$
ce qui est repr sent avec ERROR:9926 gal -0.5 :
La movilidad de las mol culas, representada por la solubilidad del gas ($\alpha$), se modela como una funci n de la concentraci n de las part culas, caracterizada por el número de Schmidt ($Sc$), que a su vez se calcula a partir de los par metros el viscosidad en masa acuosa ($\eta$), el densidad en capa de masa acuosa ($\rho$), y el constante de difusión en masa acuosa ($D$) utilizando la siguiente expresi n:
Esta relaci n se visualiza en el siguiente diagrama:
La velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) puede ser modelada utilizando datos medidos. En primer lugar, depende de la velocidad a la cual el sistema remueve el carbono de la interfaz aire-agua, lo que hace que la velocidad de transporte sea proporcional a la velocidad relativa entre ambos medios.
En segundo lugar, se presenta un efecto de la movilidad de los iones, que puede describirse mediante el número de Schmidt ($Sc$), representando la relaci n entre la difusi n del impulso y las part culas. Sin embargo, esta dependencia no es lineal y est influenciada por un factor ERROR:9926 que var a entre -1/2 y -2/3 seg n la rugosidad de la superficie.
Finalmente, la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) tambi n depende de una el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$), que a su vez est determinada por el nivel de rugosidad de la superficie.
En resumen, la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) del gas se describe en funci n de el velocidad del agua ($u_w$), el velocidad del aire ($u_a$), el número de Schmidt ($Sc$), el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) y ERROR:9926 de la siguiente manera:
Dado que el flujo difusivo $F$ puede ser modelado mediante la ley de Fick:
Podemos establecer una relaci n entre la velocidad de transferencia $k$ y la diferencia de concentraci n $\Delta C$ de la siguiente manera:
Con el modelo de similitud de Monin-Obukhov (MOST), es posible estimar el flujo de elementos, como los gases, teniendo en cuenta el desplazamiento de la superficie y un coeficiente de transferencia, que se expresa de la siguiente manera:
La diferencia de concentraci n entre la concentración del gas en la atmosfera ($C_{a,0}$) y la concentración del gas en el agua ($C_{w,0}$) depende de la solubilidad del gas ($\alpha$). Por lo tanto, se establece la siguiente relaci n:
La velocidad de transferencia de una cantidad $k$ se define como el flujo $F$ dividido por la diferencia de concentraci n entre los dos medios, representada por.
$C_0-C_b$
Por lo tanto, se puede expresar como:
La velocidad de transferencia del gas en el aire ($k_a$) se puede estimar a partir de la ley de Fick, comparando el constante de difusión en masa acuosa ($D$) con el grosor de la capa superficial ($\delta_c$) de la siguiente manera:
La velocidad de transferencia del CO2 desde la atm sfera al agua se puede modelar utilizando una ecuaci n similar a la regla general
En este modelo, la diferencia de concentraci n se reemplaza por la diferencia de presi n parcial del gas y la solubilidad $\alpha$. del CO2. La ecuaci n se expresa de la siguiente manera:
La velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) del gas se describe en funci n de el velocidad del agua ($u_w$), el velocidad del aire ($u_a$), el número de Schmidt ($Sc$), el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) y ERROR:9926 de la siguiente manera:
Si suponemos una transici n continua en la densidad de energ a en la interfaz entre el aire y el agua, y consideramos que esta energ a es de naturaleza cin tica, entonces con la densidad del aire ($\rho_a$), el velocidad del aire ($u_a$) y el densidad del agua ($\rho_w$), el velocidad del agua ($u_w$), podemos establecer la siguiente relaci n:
$\rho_a u_a^2=\rho_w u_w^2$
Por lo tanto, podemos establecer la relaci n:
Adem s, podemos considerar que la densidad de energ a tiene la misma unidad que la tensi n superficial, lo que explica la igualdad, ya que en un sistema en equilibrio, las tensiones deben ser iguales.
El n mero de Schmidt establece una relaci n entre lo que es la difusi n viscosa
con lo que es la difusi n de part culas
La primera en igual a la viscosidad partida por la densidad mientras que la segunda corresponde a la constante de difusi n. Por ello se define como
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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