כימיה של האטמוספירה

מנוע יכול לייצר מספר גזים בלתי נראים. מדחום לבדו לא יכול להגיד לנו איזה גז גרם לשינוי. נושא זה מקשר תצפיות להסברים כימיים: איך האוויר השתנה, איך קרינה מעבירה אנרגיה, ואיך תוצרי השריפה תלו בחומר הדלק ובתנאים.

השתמש בתשובה בעלת שלושה חלקים: מקור או פעולה → תהליך כימי → תוצאה. הבדל בין תוצאה נמדדת לפרשנות. הפרקים הממוספרים למטה מכסים AQA 8462 4.9.1.1–4.9.3.2, בשני הרמות. נושאים קודמים מספקים משוואות מאוזנות, אחוזים, בעירה וסיבוב הפחמן; ביצוע מעשי הוא נפרד.

למשך כ-200 מיליון שנים, היחסים העיקריים היו דומים מאוד לאלו של היום: בערך ארבעת חלקים מארבעה חנקן וחמישה חלקים מארבעה חמצן. כמויות קטנות כוללות גזים אצילים, פחמן די-אוקסיד וקריית מים. הקירובים המוכרים מדויקים יותר לאוויר יבש הם בערך 78% חנקן ו21% חמצן; דברים אלו אינם מעידים שהשאר 1% הוא כולו פחמן די-אוקסיד. תכולת קריית מים משתנה, ולכן יש לציין אוויר יבש אם משתמשים בהרכב של אוויר יבש.

דוגמה מופעלת. הערך את נפח החנקן ב-250 ס"מ³ אוויר באמצעות הקירוב מהתוכנית. הנח כי כל נפחי הגז מתייחסים לאותה טמפרטורה ולחץ.

The matching oxygen estimate is $\frac15\times250=50\ \mathrm{cm^3}$. These rough fractions deliberately ignore the small components; do not combine 80% nitrogen with a separate exact 21% oxygen as though they were one consistent dataset.

הארץ נוצרה לפני כ-4.6 מיליארד שנים. מדידות אטמוספריות ישירות מזמן זה אינן קיימות; חומרים גיאולוגיים השתנו גם לאורך זמן זה. עדויות לאטמוספירה המוקדמת ביותר מוגבלות, כך שתיאוריות מפותחות כאשר העדויות משתפרות. רשומות קרח עתיקות משקפות אטמוספרות מאוחרות, ולא דוגמה של האוויר מהיווצרות הארץ.

אחת התאוריות היא שפעילות וולקנית עזה בתוך המיליארד השנים הראשונות שחררה את הגזים שהיוו את האטמוספירה המוקדמת. היא הייתה בעיקר פחמן די-אוקסיד, עם מעט או ללא חמצן, אולי דומה לאטמוספות הנוכחיות של מאדים וונוס. וולקנות גם שחררו חנקן, קריית מים וכמויות קטנות של מתאן ואמוניה. השוואה לכוכב לכת אחר תומכת בהסבר אפשרי; זו אינה ראיה לכך שאחוזי הגזים באדמה היו זהים.

התעבות ממירה קריית מים לנוזל. כשהעולם קר, קריית מים התעבשו למים נוזליים, ויצרו אוקיינוסים. פחמן די-אוקסיד התמזג במים; פחמתיים הצטברו ויצרו משקעים, והסירו פחמן די-אוקסיד מהאטמוספירה. חנקן הצטבר בהדרגה. אל תאמרו שקירור שינה מים לפחמן די-אוקסיד או שהוולקנות ספקו את עליית החמצן מאוחר יותר.

הערכת עדויות. הרדף מודרני משחרר פחמן דו-חמצני, חנקן ואדים. הדבר הופך למקור רדפי סביר, אך אינו מדד את ההרכב המדויק של האטמוספירה לפני מיליארדי שנים. ציין גם את התצפית התומכת וגם את המגבלה.

אצות ייצרו לראשונה חמצן באמצעות פוטוסינתזה כ-2.7 מיליארד שנים לפני כן. צמחים התפתחו מאוחר יותר. במהלך המיליארד השנים הבא, החמצן עלה בהדרגה לרמה שיאפשרה התפתחות בעלי חיים. זה היה שינוי ארוך, ולא קפיצה מידית לאחוזים של היום.

פחמן די-אוקסיד + מים → גלוקוז + חמצן, באמצעות אנרגיית אור. ספרו שישה אטומי פחמן, שנים עשר אטומי מימן ושמונה עשר אטומי חמצן בצדדים. הפוטוסינתזה מסירה פחמן די-אוקסיד ומשחררת חמצן; נשימה, כאשר היא אוורית, יש לה אפקט גז כולל הפוך. צמח עושה את שניהם, ולכן יש לקחת בחשבון את האיזון בין התהליכים בדיון בשינוי נטו.

מספר תהליכים הסירו פחמן די-אוקסיד. התמזגות באוקיינוסים ויצירת משקעי פחמתיים החלה לפני הצמחים. מאוחר יותר, אצות וצמחים השתמשו בפחמן די-אוקסיד ליצירת ביומסה באמצעות פוטוסינתזה. קבורה שמרה על חלק מהפחמן מחוץ לאטמוספירה לתקופות ארוכות מאוד.

• אבן גיר נוצרת ממשקעי סידן פוספט מצטברים, כולל מעטפות ושלדות של אורגניזמים ימיים, שהפכו לסלע. הפחמן בתוך הפוספט הזה מאוחסן מחוץ לאטמוספירה.
• פחם נוצר מחומר צמחי קבור, דחוס והשתנה במשך מיליוני שנים בתנאים המגבילים פירוק מלא.
• נפט גולמי וגז טבעי נוצרים בעיקר משאריות קבורות של אורגניזמים ימיים קטנים, שנשתנו על ידי חום ולחץ במשך מיליוני שנים.

פחם, נפט גולמי וגז טבעי הם דלקים מאובנים. הם אינם נוצרים מפחמן דו-חמצני פשוט קופא או מתמס. בעירה של מאגרים אלו מחזירה פחמן בעיקר כפחמן דו-חמצני. אחסון בסלע הוא לטווח ארוך, לא לטווח אינסופי: תהליכים גיאולוגיים יכולים להחזיר פחמן גם הם.

הסבר מפורט. מדוע יצירת אבן גיר ויצירת פחם יכולות להנמיך את פחמן דו-חמצני באטמוספירה? אבן גיר מאחסנת פחמן בסלע פוספט לאחר הסרה מהמים/אוויר. צמחים מסירים לראשונה פחמן דו-חמצני באמצעות פוטוסינתזה; קבורת שאריותיהם מאחר כך מאחסנת את הפחמן הזה בפחם במקום להחזיר אותו כולו באמצעות פירוק. ציינו גם את הנתיב וגם את מקום האחסון הסופי.

גז חממה סופג ומפלט קרינה אינפרא-אדומה. אדים, פחמן דו-חמצני ומתאן הם גזי חממה. האפקט הטבעי של חממה שומר על פני כדור הארץ חמים מספיק לחיים; השאלה לגבי השפעה אנושית עוסקת בעלייה בחימום זה.

קרינה בקוטר קצר מהשמש עוברת דרך האטמוספירה ומחממת את המשטח. המשטח החם מפלט קרינה אינפרא-אדומה בקוטר ארוך יותר. גזי חממה סופגים חלק מקרינה זו היוצאת ומפליטים קרינה אינפרא-אדומה בכל הכיוונים, כולל כלפי המשטח. חלק מהקרינה בורחת לחלל. עלייה בכמות גזי החממה יכולה להפחית את קצב איבוד האנרגיה ההתחלתי עבור אותה טמפרטורת משטח, ולכן המשטח מתחמם לכיוון איזון אנרגטי חדש.

הגזים מעורבים באוויר, ולא מהווים מכסה מוצק. ספיגה ופליטה אינן השתקפות מראה. אל תכלילו את חור האוזון כגורם, או אמרו שגזי החממה עצרים כל הקרינה היוצאת מכדור הארץ.

הזכירו לפחות פעילות אחת עבור כל גז. בעירה של דלקים מאוביים מגבירה את פחמן די-אוקסיד. ביצוע גזע מפחית את הסרת פחמן די-אוקסיד באמצעות פוטוסינתזה ועלול לשחרר פחמן מאוג storage באמצעות בעירה או רקב. מתאן עולה דרך גידול בקר ורקב של פסולת אורגנית במטמון; שדות אורז מוצפים יכולים גם לשחרר מתאן.

כשקוראים דוח אקלים, בדקו את המשתנה שנמדד, היחידות, התאריכים, הכיסוי הגיאוגרפי והאם הגרף מציג מגמה או רק שנה בודדת יוצאת מהכלל. קשר בין שני גרפים הוא עדות לבדיקה, ולא בהכרח הסבר סיבתי מלא. מדידות של מנגנונים ומספר נתונים עצמאיים מחזקים הסבר.

בדיקה על ידי עמיתים היא בדיקת שיטות, עדויות וחשיבה של מחקר על ידי מומחים אחרים לפני פרסום. היא יכולה לחשוף חולשות; היא אינה מבטיחה שכל המסקנה נכונה. תקשורת ברורה של תוצאות עוזרת לאנשים להעריך את העדויות. כותרת המבוססת על תקופה בודדת שנבחרה או גרף ללא הסבר עשויה להיות מוטה. מערכות אקלים מורכבות דורשות מודלים מפושטים, עם הנחות וספקות; ספק לגבי גודל מדויק של אפקט אינו עדות לכך שאין אפקט כלל.

דוגמה לנתונים מקוריים. נתוני מחלקה בדיוניים מספקים סטיית טמפרטורה גלובלית של 0.30°C בתקופה A ו0.70°C בתקופה B. זהו הבדל מממוצע ייחוס מצוין, ולא הטמפרטורה המוחלטת של העולם.

This supports warming between these two period means. It does not establish a temperature rise in every place or every year, and does not alone identify the cause. Compare uncertainties and other evidence before a broader conclusion.

שינויי אקלים עולמיים כוללים דפוסים ארוכי טווח, ולא מזג האוויר היום. ארבע אפשרויות להשפעות הן: עליית פני הים, שינוי במשקי הגשם, שינויים בתדירות או בעוצמת אירועי מזג אוויר קיצוניים, ושינויים בהתפלגות בתי גידול/מינים.

קשר כל אפקט לתוצאתו. עליית פני הים עלולה לשטוף אדמות חופיות נמוכות; שינוי בסגירה עלולים לגרום למחסור במים או לפגוע בייבול; אירועים קיצוניים עלולים לפגוע באנשים ובתשתיות; שינוי בביולוגיות עלול להפריע לאורגניזמים שאינם יכולים להזיז או להתאים. חימום יכול להעלות את פני הים דרך התפשטות תרמית של מי הים והתמזגות קרח יבשתי. התמזגות קרח ימי צף אינה יש לה את אותה השפעה ישירה על פני הים כמו הוספת מים מהתמזגות קרח יבשתי.

דון ב-היקף (כמה אנשים/איזה אזור ועל איזה טווח זמן), סיכון (סבירות וחומרה), והשלכות סביבתיות במקום רשימת אסונות. השפעות אזוריות עתידיות מדויקות תלו בפליטות, הנחות דגם ומשובים מורכבים. תן נבואה מותנית התומדת במראות המסופקים, ולא הבטחה שכל מיקום יהפוך לחם ויבש יותר.

עקב פחמן הוא סך פחמן דיóxיד וגזי חממה אחרים שנפלטים לאורך כל מחזור החיים של מוצר, שירות או אירוע. כלול חומרי גלם, ייצור, הובלה, שימוש והשלכה כשמתאים. עקב אינו רק פחמן דיóxיד מהשימוש בחפץ ואינו מסת הפחמן בו. כאשר הבעיה מספקת את כל גזי החממה ביחידת השוואה משותפת, השתמש ביחידה זו באופן עקבי; גורמי המרה אינם נדרשים אלא אם כן נתנו.

השוו את אותו שירות, כגון 100 נסיעות באותו מרחק, לאורך אותה תקופת חיים וגבול מערכת. מוצר עם פליטות ייצור גבוהות יותר עדיין יכול להיות עם פליטות כוללות נמוכות לאחר שימוש חוזר.

השוואה מפורטת, נתונים בדיוניים מסופקים. שתי האפשרויות מספקות את אותו שירות. ל-A יש 12 ק"ג ייצור + 8 ק"ג הובלה + 60 ק"ג שימוש + 5 ק"ג השמה; ל-B יש 25 + 10 + 20 + 5 ק"ג באותה יחידת השוואה לריכוזי גזי החממה המסופקת.

לב יש את הסך הנמוך למרות פליטות הייצור הגבוהות. מסקנה זו תלויה בשלב השימוש המסופק ושירות שווה; היא אינה מוכיחה שלב יש דרישת מים פחותה או פחות פסולת.

הפחיתו פחמן די-אוקסיד באמצעות ציוד יעיל, בידוד, הפחתת שימוש בדלקים מאוביים, מקורות אנרגיה מתאימים בעלי פליטה נמוכה או שמירה על יערות. הפחיתו מתאן על ידי מניעת פסולת אורגנית, לכידת גז מטמון והחלפת מע practices חקלאיות מתאימות. הסבירו מגבלות: עלות התחלתית, תשתיות זמינות, אספקת אנרגיה, צרכי אדמה, דרישות מזון מתחרות או קבלה ציבורית. מתאן שנלכד עדיין משחרר פחמן די-אוקסיד אם נשרף, אך מונע שחרור ישיר של מתאן ועלול לספק אנרגיה שימושית. אין פעולה אחת המבטיחה עקב פחמן אפס.

רוב הדלקים מכילים פחמן ו/או מימן ועשויים להכיל גופרית. תחילה בדוק את היסודות בדלק; לאחר מכן בדוק אספקת חמצן וטמפרטורה. בעירה מלאה של הידרוקרבון טהור בחמצן מספיק מייצרת פחמן דו-חמצני ומים. הצהרה זו אינה אומרת שכל דלק, בתנאים כלשהם, מייצר רק גזים אלו.

עם חמצן מוגבל, בעירה לא מלאה יכולה לייצר חמצן חד-אטומי וחלקיקי פחמן (שחם), כמו גם מעט פחמן די-אוקסיד ומים. חלקיקים כוללים חלקיקים מוצאים והידרופרופנים לא נשרפו הנפלטו לאוויר. בעירה של זיהומי גופרית יוצרת גופרית די-אוקסיד. בטמפרטורות גבוהות, חנקן וחמצן באוויר יכולים להגיב ליצירת תחמוצות חנקן, גם כאשר הדלק אינו מכיל חנקן.

דוגמה פתורה. הסרת גופרית מדלק במנוע מפחיתה את גופרית הדו-חמצני; היא אינה מסירה אוטומטית את נוצי החנקן, שכן חנקןם יכול לנבוע מאוויר. תוספת חמצן עשויה להפחית תוצרי בעירה לא מלאה, אך אינה מסירה את פחמן הדו-חמצני הנוצר מבעירה מלאה.

משטר חומצי פוגע באקולוגיות מגיב עם מבנים ואבן מסוימים. עמעום גלובלי הוא ירידת קרינת השמש המגיעה לפני השטח בשל חלקיקים; זהו תהליך שאינו זהה לספיגת אינפרא אדום יוצאת על ידי גזי חממה. מסנן שמציד חלקיקים אינו בהכרח מסיר פחמן חד-חמצני מומס/גזי. יש להבחין בין CO, הגז הרעיל הנוצר מבעירה לא מלאה, לבין CO₂, גז החממה.

כששאלת טיפול בפליטה נותנת מגרש, השתמשו בתגובה המצוינת שלו. סידום חמצן יכול לנטרל גופרית די-אוקסיד לסידום סולפיט; חמצון נוסף יכול לייצר סולפט. אל תכתבו בשקט את הסידום סולפט כתוצאה של CaO + SO₂ לבד: נדרש מקור חמצן נוסף. ממיר קטליטי מתאים יכול להשתמש בחמצן חד-אטומי להפחתת חמצן חד-אטומי לחנקן תוך יצירת פחמן די-אוקסיד; הוא אינו פשוט מפצל כל תחמוצת חנקן לחנקן וחמצן ללא כימיה אחרת.

עיר מחליפה דלק המכיל גופרית בדלק ללא גופרית ומתקינה מסנני חלקיקים. הדוח שלה טוען "כל בעיות האקלים והנשימה נפתרו". הסבירו את התועלות האפשריות של השינויים, ולאחר מכן כחמו את ההצהרה המוגזמת על ידי פחמן הדו-חמצני הנותר, פחמן חד-חמצני אפשרי ונוצי חנקן בטמפרטורות גבוהות. ציינו מהי המדידות הנדרשות לפני שישפט גודל השיפור. השתמשו בשאלות העצמאיות בדפי 9.1–9.3 לבדיקת סך הכל של השיטות.