Unidad dobson

La unidad Dobson (DU) es una unidad de medida de la cantidad de un gas traza en una columna vertical a través de la atmósfera terrestre. Se originó y continúa usándose principalmente con respecto al ozono atmosférico, cuya cantidad total de columna, generalmente denominada "ozono total", y algunas veces "abundancia de columna", está dominada por la alta concentraciones de ozono en la capa de ozono estratosférico.

La unidad Dobson se define como el espesor (en unidades de 10 μm) de esa capa de gas puro que se formaría por la cantidad total de la columna en condiciones estándar de temperatura y presión (STP). Esto a veces se denomina 'mili-atmo-centímetro.' Por lo tanto, una columna típica de 300 DU de ozono atmosférico formaría una capa de gas puro de 3 mm en la superficie de la Tierra si su temperatura y presión se ajustaran a STP.

La unidad Dobson lleva el nombre de Gordon Dobson, un investigador de la Universidad de Oxford que en la década de 1920 construyó el primer instrumento para medir el ozono total desde el suelo, haciendo uso de un monocromador de doble prisma para medir la absorción diferencial de diferentes bandas. de la radiación solar ultravioleta por la capa de ozono. Este instrumento, llamado espectrofotómetro de ozono Dobson, ha formado la columna vertebral de la red global para monitorear el ozono atmosférico y fue la fuente del descubrimiento en 1984 del agujero de ozono antártico.

Ozono

NASA usa un valor de referencia de 220 DU para el ozono. Este fue elegido como punto de partida para las observaciones del agujero de ozono antártico, ya que no se encontraron valores inferiores a 220 unidades Dobson antes de 1979. Además, a partir de mediciones directas sobre la Antártida, se obtiene como resultado un nivel de columna de ozono inferior a 220 unidades Dobson. de la pérdida de ozono de los compuestos de cloro y bromo.

Dióxido de azufre

Además, las unidades Dobson se utilizan a menudo para describir las densidades de columna totales de dióxido de azufre, que se produce en la atmósfera en pequeñas cantidades debido a la combustión de combustibles fósiles, a procesos biológicos que liberan sulfuro de dimetilo o a la combustión natural, como en los bosques. incendios Las erupciones volcánicas también pueden liberar grandes cantidades de dióxido de azufre a la atmósfera. La unidad Dobson se usa para describir las cantidades totales de columna de dióxido de azufre porque apareció en los primeros días de la detección remota de ozono en instrumentos satelitales ultravioleta (como TOMS).

Derivación

La unidad Dobson surge de la ley de los gases ideales

PV=nRT,{displaystyle PV=nRT,}

donde P y V son presión y volumen respectivamente, y n, R y T son el número de moles de gas, la constante del gas (8,314 J/(mol·K)) y T es la temperatura en grados Kelvin (K).

La densidad numérica del aire es el número de moléculas o átomos por unidad de volumen:

naire=AavnV,{displaystyle - No. {A_{av}n} {V}}}

y cuando se conecta a la ley de los gases reales, la densidad numérica del aire se encuentra usando la presión, la temperatura y la constante de los gases reales:

naire=AavPRT.{displaystyle - No. {A_{av}P}}}

La densidad numérica (moléculas/volumen) del aire a temperatura y presión estándar (T = 273 K y P = 101325 Pa) es, usando esta ecuación,

naire=AavPRT=()6.02× × 1023moléculasmol)⋅ ⋅ ()101325Pa)8.314JMol K⋅ ⋅ 273K.{displaystyle - No. {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {text{mol}}}} {cdot (101325~text{}}}} {cdot} {cdot} {cdot}}cdot}cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {f} {cdot}} {cdot}} {cdot}} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot}}}}}} {cdot}}}}} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {f} {cdot}}} {cdot}}}}}cdot}}}}}}}} {cdot}}

Con algunas conversiones de unidades de julios a metros cúbicos pascales, la ecuación para moléculas/volumen es

()6.02× × 1023moléculasmol)⋅ ⋅ ()101325Pa)8.314Pam3Mol K⋅ ⋅ 273K=2.69× × 1025moléculas⋅ ⋅ m− − 3.{displaystyle {frac {(6.02times - ¿Qué? 10^{25} {text{molecules}cdot {text{m} {-3}}

Una unidad Dobson es la cantidad total de un gas traza por unidad de área. En ciencias atmosféricas, esto se conoce como densidad de columna. Sin embargo, ¿cómo pasamos de unidades de moléculas por metro cúbico, un volumen, a moléculas por centímetro cuadrado, un área? Esto debe hacerse por integración. Para obtener una densidad de columna, debemos integrar la columna total sobre una altura. Según la definición de unidades Dobson, vemos que 1 DU = 0,01 mm de gas traza cuando se comprime hasta el nivel del mar a temperatura y presión estándar. Entonces, si integramos nuestra densidad numérica del aire de 0 a 0,01 mm, encontramos la densidad numérica que es igual a 1 DU:

∫ ∫ 0mm0,01mm()2.69× × 1025moléculas⋅ ⋅ m− − 3)dx=2.69× × 1025moléculas⋅ ⋅ m− − 3⋅ ⋅ 0,01mm− − 2.69× × 1025moléculas⋅ ⋅ m− − 3⋅ ⋅ 0mm{displaystyle int _{0~{mm}} {0.01~{mm}}}(2.69times 10^{25}~{text{molecules}cdot {text{m}}},mathrm {d} x=2.69times 10^{25}~{text{molecules}cdot {cdot {text{m}}}{-3}cdot 0,01~{text{mm}-2.69times 10^{25}{text{molecules}cdot {text{m}}{-3}cdot 0~{mm}}}

=2.69× × 1025moléculas⋅ ⋅ m− − 3⋅ ⋅ 10− − 5m=2.69× × 1020moléculas⋅ ⋅ m− − 2.{displaystyle {}=2.69times 10^{25}~{text{molecules}cdot {text{m}}{-3}cdot 10^{-5}~{m}=2.69times 10^{20} {text{molecules}cdot {text{m} {-2}}

Y así obtenemos el valor de 1 DU, que es 2,69×10²⁰ moléculas por metro cuadrado.