Miten CO2 -pitoisuus voi vaihdella paikallisesti jopa 140ppm vuorokaudessa vs. globaali CO2 -pitoisuus ja siihen selitys?
Haasteita
Otin tällaisen haasteen vastaan, missä paikallisen sääaseman CO₂ -pitoisuus voi vaihdella jopa ~140ppm vuorokaudessa, ja miten se voidaan selittää?
Ilmakehän CO₂ -pitoisuuden paikalliset vaihtelut voivat johtua useista tekijöistä, kuten paineen, suhteellisen kosteuden, lämpötilan ja muiden ympäristöolosuhteiden vaihteluista, jotka vaikuttavat CO₂ -pitoisuuden sekoittumiseen ja diffuusioon.
Tekijät jotka vaikuttavat CO₂-pitoisuuden vaihteluun
1. Paine vaikuttaa kaasujen tiheyteen ja sekoittumiseen. Alhaisemmassa paineessa CO2 -tilavuus näyttäisi kasvavan ja sen pitoisuus voi olla korkeampi, kun taas korkeammassa paineessa se voi olla alhaisempi.
2. Suhteellinen kosteus vaikuttaa ilman tiheyteen ja sen kykyyn pidättää kaasuja. Korkeampi kosteus voi vaikuttaa siihen, miten CO2 sekoittuu ilman kanssa.
3. Lämpötila vaikuttaa kaasujen diffuusiokykyyn ja tiheyteen. Korkeampi lämpötila voi lisätä CO2 :n liikkumista ja sekoittumista.
4. Muut ympäristötekijät ovat esim. ilman liikkeet (tuuli), maston muodot ja paikalliset lähteet (esim. teollisuus tai liikenne).
Yhtälöiden käyttö
CO2 -pitoisuuden paikallista vaihtelua voidaan mallintaa osittaisdifferentiaaliyhtälöillä, jotka kuvaavat kaasujen sekoittumista ja diffuusiota. Yksi yleinen malli tähän diffuusio-dynamiikkaan on:
Diffuusiotulo (Fickin laki)
Missä:
- C = CO2 -pitoisuus.
- t = aika.
- D = diffuusiokertoimen arvo.
- ∇2 = Laplace-operaattori.
Paineen vaikutus (ideaalinen kaasu)
Missä:
- p = paine.
- ρ = kaasun tiheys.
- R = kaasuvakio.
- T = lämpötila.
(Tämä kaava voi liittyä CO2 -pitoisuuden arvioimiseen).
Kosteuden vaikutus
Kosteuden vaikutus voidaan sisällyttää muokkaamalla diffuusiokertoimen D -arvoja, koska kosteus voi vaikuttaa kaasujen sekoittumiseen ja diffuusiokykyyn.
Esimerkki
Oletetaan, että CO₂ -pitoisuus C (x, y, z, t) vaihtelee kolmiulotteisessa tilassa ja ajan myötä. Yhtälö, joka ottaa huomioon diffuusion ilmakehän sisällä, voisi olla seuraava:
Missä:
- C (x, y, x, t) = CO2 -pitoisuus koordinaateissa (x, y, z) ajanhetkellä t.
- D = diffuusiokertoimen arvo.
Jos haluamme sisällyttää paineen ja lämpötilan vaikutuksen, voimme tarkastella miten paine ja lämpötila vaikuttavat D -arvoon ja näin kaavasta tulee:
Missä:
- D0 = diffuusiokertoimen arvo viite-olosuhteissa.
- T0 = viite-lämpötila.
Näiden yhtälöiden avulla voidaan mallintaa ja analysoida CO₂ -pitoisuuden paikallisia vaihteluita ilmakehässä, ottaen huomioon erilaiset ympäristötekijät. Sääaseman sijainnista riippumatta, tätä mallia voidaan myös soveltaa periaatteessa millä tahansa sääasemalla. Mutta tämä ei pois-sulje sitä tosiasiaa, että globaali CO2 -pitoisuus on ollut ~ saman määrän kasvussa esiteollisesta ajasta tähän päivään, eli 426.91ppm – 280ppm = 146.91ppm ihmisen toiminnan seurauksena (fossiiliset polttoaineet).
