Unidad Dobson

La unidad Dobson (UD) 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 se sigue utilizando principalmente en relación con el estudio del ozono atmosférico , cuya cantidad total en la columna, generalmente denominada "ozono total" y a veces "abundancia en la columna", está dominada por las altas concentraciones de ozono en la capa de ozono estratosférico .

La unidad Dobson se define como el espesor (en unidades de 10  μm) de la capa de gas puro que se formaría con la cantidad total de la columna en condiciones estándar de temperatura y presión (STP). ^{[ 1 ] [ 2 ]} A veces se la denomina «miliatmocentímetro».  Por lo tanto, una cantidad típica de 300 DU de ozono atmosférico formaría una  capa de 3 mm de gas puro en la superficie de la Tierra si su temperatura y presión se ajustaran a las STP.

La unidad Dobson recibe su nombre de Gordon Dobson , investigador de la Universidad de Oxford que en la década de 1920 construyó el primer instrumento para medir el ozono total desde tierra, utilizando un monocromador de doble prisma para medir la absorción diferencial de diferentes bandas de radiación ultravioleta solar por la capa de ozono. Este instrumento, llamado espectrofotómetro de ozono Dobson , ha constituido la base de la red global para el monitoreo del ozono atmosférico ^{[ 3 ]} y fue la fuente del descubrimiento en 1984 del agujero de ozono antártico . ^{[ 4 ]}

La NASA utiliza un valor de referencia de 220 DU para el ozono. Este valor se eligió como punto de partida para las observaciones del agujero de ozono antártico , ya que no se habían encontrado valores inferiores a 220 unidades Dobson antes de 1979. Además, a partir de mediciones directas sobre la Antártida, un nivel de ozono en columna inferior a 220 unidades Dobson es resultado de la pérdida de ozono por compuestos de cloro y bromo . ^{[ 5 ]}

Además, las unidades Dobson se utilizan a menudo para describir las densidades columnares totales de dióxido de azufre , que se encuentra en la atmósfera en pequeñas cantidades debido a la combustión de combustibles fósiles, a procesos biológicos que liberan dimetilsulfuro o a la combustión natural, como los incendios forestales. Grandes cantidades de dióxido de azufre también pueden liberarse a la atmósfera por erupciones volcánicas. La unidad Dobson se utiliza para describir las cantidades columnares totales de dióxido de azufre porque apareció en los inicios de la teledetección del ozono en instrumentos satelitales ultravioleta (como TOMS ).

La unidad de Dobson surge de la ley de los gases ideales.

${\displaystyle PV=nRT,}$

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

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

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

y al aplicar la ley de los gases reales, la densidad numérica del aire se obtiene utilizando la presión, la temperatura y la constante de los gases reales:

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

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

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

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

${\displaystyle {\frac {(6.02\times 10^{23}~{\frac {\text{moléculas}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314~{\frac {{\text{Pa}}\,{\text{m}}^{3}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}=2.69\times 10^{25}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-3}.}$

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. ¿Cómo se convierten las unidades de moléculas por metro cúbico (volumen) a moléculas por centímetro cuadrado (área)? Esto debe hacerse mediante integración. Para obtener la densidad de columna, se integra la columna total a lo largo de una altura. Según la definición de unidades Dobson, 1 UD = 0,01  mm de gas traza comprimido hasta el nivel del mar a temperatura y presión estándar. Por lo tanto, al integrar la densidad numérica del aire de 0 a 0,01  mm, se obtiene 1  UD:

${\displaystyle \int _{0~{\text{mm}}}^{0.01~{\text{mm}}}(2.69\times 10^{25}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-3})\,\mathrm {d} x=2.69\times 10^{25}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0.01~{\text{mm}}-2.69\times 10^{25}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0~{\text{mm}}}$

${\displaystyle {}=2.69\times 10^{25}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 10^{-5}~{\text{m}}=2.69\times 10^{20}~{\text{moléculas}}\cdot {\text{m}}^{-2}.}$

Por lo tanto, el valor de 1 DU es 2,69 × 10²⁰ moléculas por metro cuadrado.