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Intercambio de partículas
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El intercambio de sustancias entre la atmósfera y el océano puede incluir partículas. Esto es particularmente relevante al estudiar la transferencia de moléculas de CO2 desde la atmósfera hacia el océano.
Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles, Peter S. Liss, Martin T. Johnson (eds.). Springer, 2014
Chapter: Transfer Across the Air-Sea Interface
ID:(1630, 0)
Difusión de CO2
Descripción
El CO2 es absorbido por los océanos contribuyendo a frenar el efecto de este gas en la atmósfera y retrasando por ello el cambio climático. Sin embargo los procesos son más complejos e incluyen:
- Intercambio gaseoso con la atmósfera: El océano y la atmósfera están en constante intercambio de CO2 a través de la difusión de gases. El CO2 atmosférico se disuelve en la superficie del océano y forma ácido carbónico (H2CO3), que a su vez se disocia en iones hidrógeno (H+) y bicarbonato (HCO3-). Este proceso ayuda a equilibrar los niveles de CO2 entre el océano y la atmósfera.
- Fotosíntesis y respiración: Los organismos marinos, como el fitoplancton y las algas, realizan la fotosíntesis y toman CO2 del agua para producir materia orgánica y liberar oxígeno. Este proceso, conocido como fijación de carbono, ayuda a extraer CO2 del océano. Por otro lado, los organismos marinos también respiran, lo que significa que liberan CO2 al agua durante el proceso de descomposición de la materia orgánica.
- Circulación oceánica: El océano se caracteriza por su circulación global, en la cual las corrientes transportan agua rica en CO2 desde la superficie hacia las profundidades y viceversa. Esto contribuye a la distribución y mezcla del CO2 en todo el océano, permitiendo que las aguas profundas almacenen grandes cantidades de CO2 disuelto.
- Sedimentación y enterramiento: Parte de la materia orgánica producida por los organismos marinos, incluido el CO2 capturado a través de la fotosíntesis, puede hundirse hacia el fondo del océano. A medida que los sedimentos se acumulan a lo largo del tiempo geológico, el carbono orgánico se entierra y puede quedar almacenado en el fondo marino durante períodos muy largos.
Flujo de carbono anual en PgC/yr. Numeros en negro son pre revolución industrial, en rojo incrementos relacionados con la revolución industrial. Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles, Peter S. Liss Martin T. Johnson (Editors), Springer, 2014
Según la zona y epoca del planeta existe una concnetración de carbolno mayor en la atmosfera que en el oceano o vice versa y con ello definiendo si el flujo de carbono es del aire al agua o viceversa.
Según la zona y epoca del planeta existe una concnetración de carbolno mayor en la atmosfera que en el oceano o vice versa y con ello definiendo si el flujo de carbono es del aire al agua o viceversa.
ID:(12297, 0)
Velocidad de transferencia y velocidad relativa
Descripción
En una primera aproximación, la dependencia de la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) con respecto a la velocidad relativa, calculada restando el velocidad del agua ($u_w$) de el velocidad del aire ($u_a$), es proporcional a
$k_w \propto u_a - u_w$
como se observa en el gráfico:
ID:(12298, 0)
Velocidad de transferencia y número de Schmidt
Descripción
La relación entre la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) es inversamente proporcional a el número de Schmidt ($Sc$), por lo que se expresa proporcional a dicho número elevado a exponente de Schmidt ($n$), que es negativo:
$k_w\propto Sc^n$
ce qui est représenté avec exponente de Schmidt ($n$) égal à -0.5 :
ID:(12299, 0)
Solubilidad en función del número de Schmidt
Concepto
La movilidad de las moléculas, representada por la solubilidad del gas ($\alpha$), se modela como una función de la concentración de las partículas, caracterizada por el número de Schmidt ($Sc$), que a su vez se calcula a partir de los parámetros el viscosidad en masa acuosa ($\eta$), el densidad en capa de masa acuosa ($\rho$), y el constante de difusión en masa acuosa ($D$) utilizando la siguiente expresión:
| $ Sc =\displaystyle\frac{ \eta }{ \rho D }$ |
Esta relación se visualiza en el siguiente diagrama:
Ocean-Atmosphere Interactions of Gases and Particles, Peter S. Liss, Martin T. Johnson (eds.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg
ID:(12245, 0)
Intercambio de CO2, velocidad desde el aire
Concepto
La velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) puede ser modelada utilizando datos medidos. En primer lugar, depende de la velocidad a la cual el sistema remueve el carbono de la interfaz aire-agua, lo que hace que la velocidad de transporte sea proporcional a la velocidad relativa entre ambos medios.
En segundo lugar, se presenta un efecto de la movilidad de los iones, que puede describirse mediante el número de Schmidt ($Sc$), representando la relación entre la difusión del impulso y las partículas. Sin embargo, esta dependencia no es lineal y está influenciada por un factor exponente de Schmidt ($n$) que varía entre -1/2 y -2/3 según la rugosidad de la superficie.
Finalmente, la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) también depende de una el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$), que a su vez está determinada por el nivel de rugosidad de la superficie.
En resumen, la velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) del gas se describe en función de el velocidad del agua ($u_w$), el velocidad del aire ($u_a$), el número de Schmidt ($Sc$), el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) y exponente de Schmidt ($n$) de la siguiente manera:
| $ k_w = ( u_a - u_w ) \beta Sc ^ n $ |
ID:(15652, 0)
Modelo
Top
Parámetros
Variables
Cálculos
a 
, luego, seleccione la variable: 
a 
Cálculos
Cálculos
Variable 
Dado Calcule 
Objetivo : Ecuación A utilizar 
Ecuaciones
$ C = D_C U_z ( C_z - C_0 )$
C = D_C * U_z *( C_z - C_0 )
$ C_w = \alpha C_a $
C_w = alpha * C_a
$ \delta_c = \sqrt{\displaystyle\frac{ \rho D }{ \eta }} \delta_{\eta}$
delta_c =sqrt( D * rho / eta )* delta_eta
$ F_a =- k_a \Delta p_{gas} $
F_a =- k_a * Dp_gas
$ F_w = k_w \Delta p_{gas} $
F_w = k_w * Dp_gas
$ k =\displaystyle\frac{ F }{ C_0 - C_b }$
k = F /( C_0 - C_b )
$ k_a = \displaystyle\frac{ D }{ \delta_c }$
k_a = D / delta_c
$ k_w = ( u_a - u_w ) \beta Sc ^ n $
k_w = ( u_a - u_w )* beta * Sc ^ n
$ Sc =\displaystyle\frac{ \eta }{ \rho D }$
Sc = eta /( rho * D )
ID:(15641, 0)
Flujo difuso con la velocidad de transferencia
Ecuación
Dado que el flujo difusivo $F$ puede ser modelado mediante la ley de Fick:
| $ F = - D \displaystyle\frac{d C }{d t }$ |
Podemos establecer una relación entre la velocidad de transferencia $k$ y la diferencia de concentración $\Delta C$ de la siguiente manera:
| $ F_a =- k_a \Delta p_{gas} $ |
El flujo difusivo $F$ es descrito por la ley de Fick:
| $ F = - D \displaystyle\frac{d C }{d t }$ |
donde $D$ es la constante de difusión y $dC/dx$ es el gradiente de concentración. Si definimos una velocidad de transferencia de la siguiente manera:
| $ k_a = \displaystyle\frac{ D }{ \delta_c }$ |
podemos establecer una ecuación de flujo de la forma:
| $ F_a =- k_a \Delta p_{gas} $ |
ID:(12226, 0)
Perfil de concentración en la capa superficial (MOST)
Ecuación
Con el modelo de similitud de Monin-Obukhov (MOST), es posible estimar el flujo de elementos, como los gases, teniendo en cuenta el desplazamiento de la superficie y un coeficiente de transferencia, que se expresa de la siguiente manera:
| $ C = D_C U_z ( C_z - C_0 )$ |
En el modelo de similitud de Monin-Obukhov (MOST), se estima el flujo de elementos como gases mediante la diferencia de concentraciones entre el aire y el agua, representada por
$C_z - C_0$
y se calcula el flujo utilizando el coeficiente de transferencia $D_C$ y la velocidad de la superficie $U_z$, de la siguiente manera:
| $ C = D_C U_z ( C_z - C_0 )$ |
De esta forma, se obtiene el flujo estimado de los elementos entre el aire y el agua.
ID:(12224, 0)
Relaciones de concentración en la superficie
Ecuación
La diferencia de concentración entre la concentración del gas en la atmosfera ($C_a$) y la concentración del gas en el agua ($C_{w,0}$) depende de la solubilidad del gas ($\alpha$). Por lo tanto, se establece la siguiente relación:
| $ C_w = \alpha C_a $ |
ID:(12235, 0)
Transporte de una cantidad
Ecuación
La velocidad de transferencia de una cantidad $k$ se define como el flujo $F$ dividido por la diferencia de concentración entre los dos medios, representada por.
$C_0-C_b$
Por lo tanto, se puede expresar como:
| $ k =\displaystyle\frac{ F }{ C_0 - C_b }$ |
ID:(12213, 0)
Velocidad de transferencia
Ecuación
La velocidad de transferencia del gas en el aire ($k_a$) se puede estimar a partir de la ley de Fick, comparando el constante de difusión en masa acuosa ($D$) con el grosor de la capa superficial ($\delta_c$) de la siguiente manera:
| $ k_a = \displaystyle\frac{ D }{ \delta_c }$ |
ID:(12227, 0)
Intercambio de CO2
Ecuación
La velocidad de transferencia del CO2 desde la atmósfera al agua se puede modelar utilizando una ecuación similar a la regla general
| $ k =\displaystyle\frac{ F }{ C_0 - C_b }$ |
En este modelo, la diferencia de concentración se reemplaza por la diferencia de presión parcial del gas y la solubilidad $\alpha$. del CO2. La ecuación se expresa de la siguiente manera:
| $ F_w = k_w \Delta p_{gas} $ |
Si se considera el flujo del gas $F$ y la velocidad de transporte $k$ con la relación genérica
| $ k =\displaystyle\frac{ F }{ C_0 - C_b }$ |
Si se reemplaza la diferencia de concentraciones $C_0-C_b$ con la diferencia de la presión parcial del gas usando la solubilidad $\alpha$ de modo que:
$C_0 - C_b = \alpha \Delta p_{CO2}$
se obtiene
| $ F_w = k_w \Delta p_{gas} $ |
ID:(12214, 0)
Intercambio de CO2, velocidad desde el aire
Ecuación
La velocidad de transferencia del gas en el agua ($k_w$) del gas se describe en función de el velocidad del agua ($u_w$), el velocidad del aire ($u_a$), el número de Schmidt ($Sc$), el factor beta del transporte aire a agua de CO2 ($\beta$) y exponente de Schmidt ($n$) de la siguiente manera:
| $ k_w = ( u_a - u_w ) \beta Sc ^ n $ |
ID:(12215, 0)
El número de Schmidt Sc
Ecuación
El número de Schmidt establece una relación entre lo que es la difusión viscosa
| $ D_p \equiv \displaystyle\frac{ \eta }{ \rho }$ |
con lo que es la difusión de partículas
| $ D_N \equiv \mu k_B T $ |
.
La primera en igual a la viscosidad partida por la densidad mientras que la segunda corresponde a la constante de difusión. Por ello se define como
| $ Sc =\displaystyle\frac{ \eta }{ \rho D }$ |
ID:(12216, 0)
Grosor superficie y capa viscosa
Ecuación
El grosor de la superficie y de la capa viscosas son proposicionales siendo la constante una función de la constante difusión, viscosidad y densidad.
Por ello con es
| $ \delta_c = \sqrt{\displaystyle\frac{ \rho D }{ \eta }} \delta_{\eta}$ |
None
ID:(12229, 0)