Samenvatting hoofdstuk 3

3.2 Compartiment lucht

De atmosfeer rondom de aarde is ongeveer 100 tot 120 km dik. De grens met de ruimte is moeilijk aan te geven omdat de lucht waaruit de atmosfeer bestaat, met toenemende hoogte steeds ijler wordt. Na het ontstaan van de aarde had de atmosfeer een geheel andere samenstelling dan nu. Deze oeratmosfeer bevatte nagenoeg geen zuurstof en onder andere veel ammoniak (NH3) en methaan (CH4). Nadat de oceanen waren ontstaan en in de oceanen de eerste vormen van leven ontstonden, kwam de zuurstofproductie door fotosynthese langzaam op gang. Door de zuurstof in de atmosfeer ontstond er ozon, dat ervoor zorgde dat de voor het leven meest schadelijke ultraviolette straling het aardoppervlakte niet meer met de volle intensiteit kon bereiken. Door de aanwezigheid van zuurstof en de ontwikkeling van de ozonlaag was de ontwikkeling van leven op aarde, buiten het water, mogelijk.

Dat de lucht ook koolstofdioxide bevat is van groot belang. Zonder koolstofdioxide zouden planten niet kunnen leven. De fotosynthese is enerzijds noodzakelijk voor de opbouw van plantencellen en anderzijds voor het op peil houden van de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer. Zuurstof is weer van groot belang voor de meeste heterotrofe organismen die zuurstof nodig hebben voor de ademhaling.

De atmosfeer heeft daarnaast nog de volgende functies:

Beschermer tegen kosmische straling en meteorieten;
Transportmiddel voor warmte via de energiehuishouding en voor water via de hydrologische cyclus;
Leverancier van grondstoffen, zoals stikstof voor de bereiding van meststoffen;
(tijdelijke) Dumpplaats voor gasvormige afvalstoffen en roet- en stofdeeltjes;
Isolator die warmte vasthoudt.

De dichtheid, druk en temperatuur veranderen sterk met de hoogte. Als vuistregel kan genomen worden dat de dichtheid van de lucht bij een stijging van 15 km met een factor 10 afneemt. Op 100 km hoogte is de lucht ongeveer een miljoen keer zo ijl als op zeeniveau. Evenals dichtheid neemt ook luchtdruk met de hoogte af.

Als er wordt gekeken naar het temperatuurverloop, is de atmosfeer opgebouwd in verschillende lagen. De onderste laag is de troposfeer, waar nagenoeg alle weersprocessen zich afspelen. De dikte van de laag is afhankelijk van de instraling van de zon en varieert van ca. 18 km boven de evenaar tot ca. 8 km boven de polen. Gemiddeld is de dikte 13 km. De temperatuurafname is gemiddeld 6,5 °C/km.

In de onderste laag van de troposfeer bevindt zich een deel van de biosfeer: het deel dat zich niet op of in de aarde bevindt. Tussen de troposfeer en de biosfeer vindt vrije uitwisseling van gassen plaats. In de troposfeer is verticale menging belangrijk, in tegenstelling tot de lagen daarboven waar verticale luchtbewegingen veel geringer zijn. De temperatuur in de troposfeer neemt af met de hoogte omdat, des te hoger in de troposfeer, des te minder IR-straling er nog is en des te minder gassen er aanwezig zijn om deze IR-straling te absorberen.

De troposfeer gaat bij de zogenaamde tropopauze, waar de temperatuur ongeveer -56 °C is, over in de stratosfeer, die tussen 15 en 50 km hoogte ligt. Hier bevindt zich de meeste ozon, tussen 20 en 40 km (90%) en heet daarom de ozonlaag. Hier neemt de temperatuur weer toe omdat ozon UV-straling kan absorberen. De temperatuur neemt toe tot aan de stratopauze, waar de temperatuur rond het vriespunt ligt.

Boven de stratopauze bevindt zich de mesosfeer (50 - 85 km) die via de mesopauze (-75 °C) overgaat in de thermosfeer (85 - 500 km). In de mesosfeer neemt de temperatuur weer af doordat daar geen ozon meer aanwezig is. In de thermosfeer neemt de temperatuur juist weer toe omdat daar zulke energierijke straling aanwezig is, dat moleculen worden afgebroken tot atomen, waarbij veel warmte vrijkomt.

Lucht is een mengsel van gassen. Droge lucht bestaat uit de hoofdbestanddelen stikstof (N2) en zuurstof (O2) en de nevenbestanddelen argon (Ar) en koolstofdioxide (CO2). Als spoorbestanddelen komen geringe hoeveelheden andere gassen voor (zoals helium, waterstof, methaan en ethaan). De samenstelling van lucht blijft tot 80 km hoogte vrijwel constant. De lucht wordt wel ijler maar de verhouding van de gassen blijft hetzelfde. Uitzondering hierop zijn waterdamp en ozon. De hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten, is afhankelijk van de temperatuur. De gemiddelde hoeveelheid waterdamp varieert doorgaans tussen 0,02 – 5%. De waterdamp bevindt zich voor het grootste deel in de troposfeer.

Behalve gassen bevat lucht ook vaste en vloeibare deeltjes: aërosolen (0,1 – 200 µm). Hiertoe horen onder andere:

Vloeibare deeltjes zoals fijn verdeelde waterdruppels (mist), zwavelzuurdruppeltjes ofdruppels van terpenen (olieachtige substanties) die door naaldbomen worden afgegeven;
Vaste deeltjes zoals (vulkanisch) stof, rook en roet (bosbranden), opgewaaide druppels zeewater waarvan het water is verdampt zodat zoutkristallen achterblijven (sea spray) en deeltjes van biologische oorsprong zoals stuifmeel (pollen) en sporen (gist, micro-organismen).

Stof in de atmosfeer veroorzaakt ook lichtverstrooiing en is daardoor oorzaak van turbiditeit of troebelheid van de lucht. Deze is groot boven stedelijke en industriële gebieden.

Boven 80 km hoogte vallen stikstof en zuurstof uiteen in de respectievelijke atomen. Vanaf 120 km zijn voornamelijk nog stikstof- en zuurstofatomen en vanaf 200 km zijn er hoofdzakelijk stikstofatomen aanwezig.

3.3 Stratosferisch ozon

Er worden drie soorten UV-straling onderscheiden op grond van de golflengte:

UV-A, met golflengte tussen 320-400 nm;
UV-B, met golflengte tussen 280-320 nm;
UV-C, met golflengte tussen 100-280 nm.

Zonder bescherming van de ozonlaag tegen UV-B en UV-C is alleen diep in de oceanen leven mogelijk.

De ozonlaag wordt in feite continu opgebouwd en afgebroken door zeer snelle fotochemische

processen. De opbouw van ozon verloopt als volgt:

O^2 + h · f → 2O (λ < 240 nm)
O + O^2 (+ M) → O^3 (+ M)

Reactievergelijking 1, plus reactievergelijking 2 maal 2 levert:

3O^2 + h · f (+ 2 M) → 2 O^3 (+ 2 M)

Hierin staat h · f voor energie. h is de constante van Planck en f staat voor de frequentie van de straling. M is een deeltje dat in staat is de overtollige warmte die vrijkomt bij de reactie, op te nemen. Bij deze reactie zijn twee voorwaarden van belang: er moet voldoende zuurstof aanwezig zijn en er moet energierijke straling aanwezig zijn (λ < 240 nm). Op circa 35 km hoogte boven de tropen wordt het meeste ozon gevormd, omdat daar aan beide voorwaarden ruimschoots wordt voldaan. Door luchtstromingen wordt ozon naar geringere hoogten en van de evenaar naar de polen geleidt.

Daarnaast wordt ozon afgebroken via onder andere de volgende reacties:

O^3 + h · f → O^2 + O (λ > 270 nm)
O + O^3 (+ M) → 2O^2 (+ M)

Netto geeft dat de volgende vergelijking:

2O^3 + h · f (+ M) → 3O^2 (+ M)

Als de bovenstaande natuurlijke vorming en afbraak van ozon met dezelfde snelheid verlopen, is het

systeem in evenwicht.