تطبيق قوانين المعدل لفهم ديناميات الأيروسولات الجوية في الغلاف الجوي

فهم سلوك الأيروسولات الجوية في الغلاف الجوي أمر حاسم بالنسبة لعلوم المناخ، وإدارة نوعية الهواء، والصحة البيئية، وهذه الجسيمات الصغيرة تؤثر على أنماط الطقس، والصحة التنفسية البشرية، والتوازن الإشعاعي للأرض، وتوفر المواد الكيميائية ذات المهارات الحيوية، ولا سيما تطبيق قوانين الأسعار، إطارا كميا لتحليل تكوين الهباء الجوي، والنمو، والتحول الكيميائي، وتستكشف هذه المادة كيفية تطبيق قوانين الغلاف الجوي الحقيقي على النماذج الدينامية المعقدة.

ما هي الأيروسولات الجوية في الغلاف الجوي؟

أما الهباء الجوي الجوي الجوي الجوي فيتعلق بتعليقات الجسيمات الصلبة أو السائلة في الهواء، تتراوح من بضعة مقاييس نانومية إلى عشرات من الميكرومترات، وهي نابعة من مصادر طبيعية وبشرية على حد سواء، وتشمل المصادر الطبيعية رذاذ البحر، والانفجارات البركانية، والغبار المعدني، والانبعاثات الأحيائية الجيني (مثل التلوث، والأوعية، والأرض من الانبعاثات الزراعية) التي تسهم في حرق.

ويؤثر الأيروسول في المناخ مباشرة من خلال تحطيم الإشعاع الشمسي واستيعابه، وبشكل غير مباشر من خلال العمل كنواة التكديس السحابي أو نواة الجليد، وتعديل الخواص السحابية والعمر، ولا يزال الأثر الصافي للهباء الجوي من أكبر حالات عدم التيقن في النماذج المناخية العالمية، وبالتالي فإن فهم تكوينها وتحويلها يشكل أولوية في البحوث المناخية.

أساسيات قوانين المعدل في مجال الكيمياء في الغلاف الجوي

وتُعتبر قوانين المعدل تعبيرات رياضية تربط معدل التفاعل الكيميائي بتركيزات المتفاعلات، وتُطبق هذه القوانين في الكيمياء في الغلاف الجوي على ردود الفعل التي تنطوي على مركبات عضوية متفجرة، وأكسدة (مثلاً، الجذريات أو الهكسانية، والأوزون، والنيتراتيجات)، وغيرها من الأنواع الأثرية التي تؤدي إلى تكوين الهباء الجوي.

Rate = k [A]m [B]n ]

k is the rate constant (temperature- dependent), [A] and [B] are concentrations, and ]m and n are reaction orders.

أوامر الرد والنضوج

وتتوقف ردود الفعل الأولى (مثل تحلل ثاني أكسيد النيتروجين) على تردد واحد، وتعود ردود الفعل الثانية (مثلاً، OH + VOC) إلى الكيمياء في الغلاف الجوي، وكثيراً ما تستخدم ظروف البستودو - أولاً في المختبرات برد فعل واحد زائد عن الحاجة، وتساعد أوامر رد الفعل بشأن إزالة الألغام في التنبؤ بما تحدثه التغيرات في تركيزات السلائف من آثار.

إعالة مؤقتة

ويؤثر التدرج على المعدل الثابت بشكل كبير، ففي الغلاف الجوي، تتباين درجة الحرارة بارتفاعها وطولها وموعدها، ويتيح معادلة آرهينيوس استقراء معدلات ثابتة مستقاة من المختبرات في الظروف الجوية، وعلى سبيل المثال، فإن ردود الفعل ذات الطاقات العالية للتنشيط أبطأ في درجات الحرارة الباردة التي تطبع طبقة التروبوسفير العليا، مما يؤثر على حياة الهباء الجوي والتوزيع العالمي.

تطبيق قوانين المعدل على عمليات تكوين الأيروسول

ويشتمل تكوين الأيروسول على عمليات متجانسة وغير متجانسة، ويحدث الترميز المتجانس (تشكيل الجسيمات الجديدة) عندما يتخطى ضغط بخار التشبع في مراحل الغاز، وكثيرا ما تكون القوانين المتعلقة بالتنجيم معقدة، وتشمل تكوين مجموعات حركية، وتشمل ردود الفعل المتجانسة على أسطح الجسيمات القائمة، مثل أخذ الحمض النيزك أو الأمونيا.

المرحلة الثانوية من الأيروسول العضوي

(ب) أشكال التبريد عند حدوث تفجرات في المركبات العضوية لإنتاج منتجات ذات قدرة منخفضة على التطاير تقسم إلى مرحلة الجسيمات، ويمكن التعبير عن معدل تشكيلات هذه المركبات من سليفة واحدة من طراز VOC على أنه:

Rate of SOA formation = k [VOC] [OH] × yield]

وتتوقف الغلة على الهيكل الكيميائي لمركبات الكربون الكلورية فلورية وظروفها المحيطة، إذ تتطلب مسارات التكسين المتعددة الأجيال مخططات حركية معقدة، مثلاً، ينتج أكسيد ألفا (العلم الأحيائي) مئات المنتجات، وكلها ذات فولايات مختلفة، وتُحدد معدلات الارتفاع لكل خطوة على نحو تجريبي وتستخدم في نماذج مثل تركيزات آلية المواد الكيميائية الرئيسية للتنبؤ بمجموعات سو.

Sulfate Aerosol Formation

(ب) إنَّ الهباءات الكبريتية تُشكل أساساً من أكسيد الكبريت المنبعث من احتراق الفحم والبراكين، وتُنطوي الممرات المهيمنة على تأكسد أكسيد الغاز من جانب متطرفي OH وأكسدة الهيدروجين + أكسيد الهيدروجين (H2O2) أو الأوزون (O3) في قطرات السحب.

Rate = k1 [SO2][OH]]

وفي المرحلة المتتالية، يكون قانون معدل أكسيد ثاني أكسيد الكربون H2O2 هو:

Rate = k2 [SO2(aq)] [H2O2] ]

حيث يعرف الكم 1 والكا2 من القياسات المختبرية، ويسمح إدراج قوانين الأسعار هذه في نماذج الغلاف الجوي بتحفيز توزيع الهباء الجوي من الكبريت وآثاره المناخية.

دراسات الحالة: تطبيق قوانين المعدل على الديناميات الأرضية الحقيقية

New Particle Formation in the Free Troposphere

وتظهر الملاحظات الميدانية على الغابات المزروعة أنفجارات من الجسيمات الجديدة (3-50 نانو متر) التي تُعزى إلى تكسّب الأورام الاحتكارية، وتنتج قوانين معدل تطبيق الدراسات التي تجريها غرفة المختبرات تركيزات الجسيمات الملاحظة عندما تقترن بنماذج النواة والنمو، وعلى سبيل المثال، فإن معدل تكوين المجموعات المستقرة الأولى (الحجم 1 نانوغرام) يتبع اعتماداً على تركيزات الحمضية سداسي فلوريكة(2).

Aging of Black Carbon Aerosol

الكربون الأسود (مخصوما منه) المستخرج من محركات الديزل يكبر في الجو حيث يجلب معطفاً من الكبريت أو النيترات أو العضويات، يتوقف معدل التغليف على تركيز سلائف الغازات ومساحة السطح المتاحة.

Implications for Climate Modeling and Air Quality Policy

ويتطلب التمثيل الدقيق لتشكيل الهباء الجوي والنمو وإزالة نماذج المناخ تصنيف البيانات الحركية على أنها قوانين معدلية، فعلى سبيل المثال، يؤثر معدل تشكيلات هذه المادة على العمق البصري المتوقع للهواء وعلى الإكراه الإشعاعي.() وتعتمد تقارير التقييم على نماذج تُدرج فيها استراتيجيات الاستخدام الحرفي هذه(2).() وبالمثل، فإن تقارير التقييم التي تصدر عن الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ()

وتشمل التطبيقات التنبؤ بفعالية سياسات خفض الانبعاثات، فعلى سبيل المثال، إذا كان قانون معدل أكسيد ثاني أكسيد الكربون يتسم صبغة جيدة، يمكن للمنظمين تقدير مدى انخفاض كمية الأيروسول الكبريتي في إطار حد معين للانبعاثات من ثاني أكسيد الكربون.() وتستخدم وكالة الحماية البيئية .

وثمة حدود أخرى هي دور العمليات الكيميائية الضوئية، إذ أن معدلات التحلل الضوئي تتوقف على كثافة الضوء وتكوين الجسيمات، وتدرج هذه العوامل في نماذج، وتحسن التنبؤات المتعلقة بخواص الشيخوخة والآفات البصرية، وتعتمد الحملات الميدانية مثل ]