Dobson enhet

Dobson -enheten (DU) är en måttenhet för mängden spårgas i en vertikal kolumn genom jordens atmosfär . Det har sitt ursprung, och fortsätter att främst användas med avseende på, atmosfäriskt ozon , vars totala kolonnmängd, vanligtvis benämnd "total ozon", och ibland "kolonnöverflöd", domineras av de höga koncentrationerna av ozon i stratosfäriska ozonlagret .

Dobson-enheten definieras som tjockleken (i enheter om 10 μm) av det lager av ren gas som skulle bildas av den totala kolonnmängden vid standardförhållanden för temperatur och tryck (STP). Detta kallas ibland för en "milli-atmo-centimeter". En typisk kolonnmängd på 300 DU av atmosfäriskt ozon skulle därför bilda ett 3 mm lager av ren gas på jordens yta om dess temperatur och tryck överensstämde med STP.

Dobson-enheten är uppkallad efter Gordon Dobson , en forskare vid University of Oxford som på 1920-talet byggde det första instrumentet för att mäta totalt ozon från marken, med hjälp av en monokromator med dubbelprisma för att mäta den differentiella absorptionen av olika band av solens ultravioletta strålar. strålning från ozonskiktet. Detta instrument, som kallas Dobson ozonspektrofotometer , har utgjort ryggraden i det globala nätverket för övervakning av atmosfäriskt ozon och var källan till upptäckten 1984 av det antarktiska ozonhålet .

Ozon

NASA använder ett baslinjevärde på 220 DU för ozon. Detta valdes som utgångspunkt för observationer av det antarktiska ozonhålet , eftersom värden på mindre än 220 Dobson-enheter inte hittades före 1979. Även från direkta mätningar över Antarktis är en kolumn-ozonnivå på mindre än 220 Dobson-enheter ett resultat av ozonförlusten från klor- och bromföreningar .

Svaveldioxid

Dessutom används Dobson-enheter ofta för att beskriva totala kolonndensiteter av svaveldioxid , som förekommer i atmosfären i små mängder på grund av förbränning av fossila bränslen, från biologiska processer som frigör dimetylsulfid , eller genom naturlig förbränning som skogsbränder. Stora mängder svaveldioxid kan släppas ut i atmosfären även vid vulkanutbrott. Dobson-enheten används för att beskriva totala kolumnmängder av svaveldioxid eftersom den dök upp i de första dagarna av ozonfjärranalys på ultravioletta satellitinstrument (som TOMS ).

Härledning

Dobson-enheten härrör från den ideala gaslagen

$PV=nRT,$

där P och V är tryck respektive volym, och n , R och T är antalet mol gas, gaskonstanten (8,314 J/(mol·K)), och T är temperatur i kelvin (K).

Luftens taldensitet är antalet molekyler eller atomer per volymenhet:

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}n}{V}},$

och när den är ansluten till den verkliga gaslagen, hittas luftens taltäthet genom att använda tryck, temperatur och den verkliga gaskonstanten:

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}P}{RT}}.$

Taldensiteten (molekyler/volym) av luft vid standardtemperatur och -tryck ( T = 273 K och P = 101325 Pa) är, genom att använda denna ekvation,

$n_{\text{air}}={\frac {A_{av}P}{RT}}={\frac {(6.02\ gånger 10^{23}\,{\frac {\text{molekyler }}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314{\frac {\text{J}}{\text{mol K}}}\cdot 273~ {\text{K}}}}.$

Med vissa enhetsomvandlingar av joule till pascal kubikmeter är ekvationen för molekyler/volym

${\frac {(6.02\times 10^{23}~{\frac {\text{molecules}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})} {8.314~{\frac {{\text{Pa}}\,{\text{m}}^{3}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}} =2,69\ gånger 10^{25}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{-3}.$

En Dobson-enhet är den totala mängden spårgas per ytenhet. Inom atmosfärsvetenskap kallas detta för kolumndensitet. Men hur går vi från enheter av molekyler per kubikmeter , en volym, till molekyler per kvadratcentimeter , en area? Detta måste ske genom integration. För att få en kolumndensitet måste vi integrera den totala kolumnen över en höjd. Enligt definitionen av Dobson-enheter ser vi att 1 DU = 0,01 mm spårgas när den komprimeras ner till havsnivån vid standardtemperatur och -tryck. Så om vi integrerar vår taldensitet av luft från 0 till 0,01 mm, hittar vi taldensiteten som är lika med 1 DU:

$_ ~{\text{mm}}}^{0.01~{\text{mm}}}(2.69\ gånger 10^{25}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{- 3})\,\mathrm {d} x=2,69\ gånger 10^{25}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0,01~{\text{ mm}}-2,69\ gånger 10^{25}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0~{\text{mm}}}$

${}=2,69\ gånger 10^{25}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 10^{-5}~{\text{m }}=2,69\ gånger 10^{20}~{\text{molekyler}}\cdot {\text{m}}^{-2}.$

Och därmed kommer vi fram till värdet av 1 DU, vilket är 2,69 × 10 ²⁰ molekyler per kvadrat meter.