Einführung in Atmosphäre und Klima - IUP

Einführung in Atmosphäre und Klima
Wintersemester 2011/2012
Termine:
Vorlesung:
Übungsgruppe:
Dienstag 10 – 12 in W-1180
Dienstag 12 – 13 in W-1180
Beginn: 01.11.2011 Ende: 12.2.2012
Dozenten:
Übungsgruppenleiter:
PD Dr. Annette Ladstätter-Weissenmayer
PD Dr. Christian von Savigny
Dr. Max Reuter
Martin Langowski
Kontakt:
PD Dr. Christian von Savigny
Zimmer:
S4381 (NW 1)
PD Dr. Annette Ladstätter-Weißenmayer Dr. Max Reuter
Zimmer:
2440 (NW 1) Zimmer:
S4370 (NW 1)
Telephon:
0421-218-62088
[email protected]
Telephon:
0421-218-62105
[email protected]
Telephon:
0421-218-62085
[email protected]
Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weissenmayer / C. von Savigny / M. Reuter, Wintersemester 2011/2012
Einführung in Atmosphäre und Klima
Vorlesung 5
Chemie der Stratosphäre
Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weissenmayer / C. von Savigny / M. Reuter, Wintersemester 2011/2012
Übersicht
VL
Datum
Thema
Dozent(in)
1
01.11.2011
Einführung & vert. Struktur der Atmos.
Reuter
2
08.11.2011
Strahlung I
Reuter
3
15.11.2011
Strahlung II
Reuter
4
22.11.2011
Strahlung III
Reuter
5
29.11.2011
Chemie Stratosphäre
Ladstätter-Weissenmayer
6
06.12.2011
Chemie der Troposphäre I
Ladstätter-Weissenmayer
7
13.12.2011
Chemie der Troposphäre II
Ladstätter-Weissenmayer
8
20.12.2011
Der H2O Kreislauf
Ladstätter-Weissenmayer
9
10.01.2012
Dynamik I
v. Savigny
10
17.01.2012
Dynamik II
v. Savigny
11
24.01.2012
Dynamik III
v. Savigny
12
31.01.2012
Klima I
v. Savigny
13
07.02 .2012
Klima II
v. Savigny
14
14.02 .2012
Zusammenfassung
Ladst.-W./ v. Savigny / Reuter
Einführung in Atmosphäre und Klima, A. Ladstätter-Weissenmayer / C. von Savigny / M. Reuter, Wintersemester 2011/2012
Fragen in der Atmosphärenphysik
·
Welche Spezies sind relevant für die Atmosphäre
·
In welchen Konzentrationen kommen die Spezies vor an verschiedenen
Orten, Höhen und Zeiten?
·
Welche Zwischenreaktionen und Zwischenprodukte gibt es
·
Wie schnell laufen diese Reaktionen ab
·
Wie ist es mit der Druck- und Temperaturabhängigkeit?
·
Wie groß ist der Einfluss von Sonnenlicht
·
Wie groß sind die Lebensdauern der Spezies in der Atmosphäre
·
Was sind die Quellen und Senken der Spezies
·
Welchen Einfluss haben menschliche Aktivitäten
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Fragen in der Atmosphärenphysik
Was muss berücksichtigt werden?
Temperaturbereich: -80°-30°
C
Druckbereich: 0-1000 mbar
C
Mischung der verschiedenen Spezies
C
Energieeintrag des Sonnenlichtes
C
Tag – Nachtwechsel
C
Große Inhomogenität in Zeit und Raum
C
System ist nicht im Gleichgewicht
C
Einfluss von Transport, Biologie, Quellen und Senken, des
Ozeans, menschliche Aktivitäten
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Zusammensetzung der Atmosphäre
·
N2 (78.09%) und O2 (20.95%)
·
Viele Gase
·
Wasser: alle 3 Phasen (fest, flüssig, gasförmig), sehr variabel (0-2%), starke
Absorption, relevant für Klima, Wolken, Regen, Aerosole und Chemie
·
Spurengase: relevant für Chemie, Klima und Aerosole, z. B.
o
o
o
o
o
o
CFC
Halogenoxide
Ozon
halogenierte Kohlenwasserstoffe
Stickstoffoxide
Schwefelverbindungen
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Zusammensetzung der Atmosphäre
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Verschiedene Einheiten
Menge
Name
Einheiten
Anzahl der Moleküle
N
mol = 6.022 x1023
Dichte
N
particles / m3
Masse

kg / m3
Volumen
Mischungsverhältnis

ppmV = 10-6
ppbV = 10-9
pptV = 10-12
Masse
Mischungsverhältnis

ppmm =10-6
ppbm =10-9
pptm = 10-12
Verschiedene
Säulenangaben
molec/cm2
DU = 10-3 cm at STP
DU: 2,68*1016 molec/cm²
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Stratosphärenchemie
Sauerstoffatom (O)
Ozon: 3-atomiger Sauerstoff
Sauerstoffmolekül (O2)
• wichtiges Gas in Atmosphäre
Ozonmolekül (O3)
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Stratosphärenchemie
Ozon:
Verantwortlich für Vertikale Struktur der Atmosphäre
( Ozonschicht in ca. 20 km Höhe , Abnahme → Ozonloch
Bodennahes Ozon, ständige Zunahme seit Industrialisierung
→ Ozonwarnungen)
Effektives natürliches Treibhausgas
Natürlicher Filter für UV-Strahlung der Sonne (240-290 nm)
Ozon wichtig bei OH-Produktion (untere Atmosphäre) und
Entstehung/Wachstum von Partikeln
Abnahme:
Transport, Dynamik, Chemie, Photochemie
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Stratosphärenchemie
1985: Beobachtung der O3 Abnahme in Polargebieten
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Stratosphärenchemie
Polarer Ozonverlust
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Stratosphärenchemie
• Globale Gesamt-O3Abnahme (1980-1990)
• 1991: Vulkanausbruch
(Pinatubo)
• Heute: 4% unter dem Wert
von 1964-1980-Mittel
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Stratosphärenchemie
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Stratosphärenchemie
Chapman-Mechanismus:

Idee: Sauerstoffchemie, Photolyse von O2 als Startpunkt (Chapman 1930)
R1
O2  h
J1

O(3 P)  O(3 P) (  240 nm)
k2
R2 O  O2  M 
O3  M
R3 O3  h
J3

O2  O(1 D)
R4 O  O3
k4

2O2
(  320 nm)
Messungen im Labor zeigen, dass R1 und R4 viel langsamer als R2 und R3
sind, dies führt zu schnellem Austausch zwischen O und O3.
Der Chapman-Mechanismus erklärt das beobachtete stratosphärische Ozon
qualitativ, aber
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Stratosphärenchemie
Chapman-Mechanismus:
Die Konzentrationen sind zu hoch (Faktor 2)
Das Maximum ist zu hoch
Unsicherheiten in den Ozonmessungen und die Daten der Reaktionen können
die Abweichungen nicht erklären
 also muss es zusätzlich einen Verlustprozess geben, aber welchen …
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Stratosphärenchemie
Katalytische Ozon Verlustreaktionen
Vorgeschlagene Photochemie von H2O durch Bates und Nicolet (1950)
HOx Zyklus:
Initiation step :
H2O  O(1D)  2OH
Chain reaction :
OH  O3  HO 2  O 2
HO 2  O3  OH  2O 2
net :2O3  3O 2
Terminatio n step :
OH  HO 2  H2O  O 2
HOx Familie = OH + HO2
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Stratosphärenchemie
Katalytische Ozon Verlustreaktionen
Quelle von H2O in der Stratosphäre sind Transport aus der Troposphäre und
Oxidation von Methan
Diese Reaktionen können den beobachteten Ozonkonzentrationen auch noch
nicht erklären
 mehr Reaktionen müssen noch beteiligt sein
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Stratosphärenchemie
NOx Zyklus:
NO von Flugzeugen zerstört Ozon:
NO  O3
 NO2  O 2
NO2  O
 NO  O 2
net :O3  O  2O 2
Alternatively (null cycle) :
NO2  h  NO  O
O  O 2  M  O3  M
Terminatio n (formation of reservoirs ) :
NO2  OH  M  HNO3  M
NO2  O3
 NO3  O 2
NO2  NO3  M  N 2O5  M
Der HOx und NOx Zyklus zusammen mit dem Chapman-Mechanismus konnte
das stratosphärische Ozon genau simulieren

Nobelpreis 1995 für Paul Crutzen
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Stratosphärenchemie
Zusätzlich: Emissionen führen zum ständigen Wechsel der stratosphärischen
Ozonkonzentration
· N2O Konzentrationen steigen an als Folge des Gebrauchs von Dünger
· Cl und Br steigt an wegen FCKW’s (CFC-12: CF2Cl2 + h  CF2Cl + Cl)
· Br steigt zusätzlich an wegen des Gebrauch von CH3Br in der Landwirtschaft
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Stratosphärenchemie
ClOx-Zyklus:
Cl  O3
 ClO  O 2
ClO  O
 Cl  O 2
net :O3  O  2O 2
Terminatio n (formation of reservoirs ) :
Cl  CH 4
 HCl  CH3
ClO NO 2  M  ClONO 2  M
Re - release of Cl :
HCl  OH
 Cl  H2O
ClONO 2  h  Cl  NO 3
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Stratosphärenchemie
 Montrealprotokoll und internationale Bestimmungen sollen den Gebrauch an
CFCs verhindern oder zumindest senken 1996
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Stratosphärenchemie
Wie kommen CFCs in die Stratosphäre?
·
CFCs sind viel schwerer als Luft
·
CFCs sind stabil in der Troposphäre und deshalb gut durchmischt
·
Messungen zeigen, dass die CFCs die Stratosphäre erreichen aber ihre
Konzentration mit zunehmender Höhe abnimmt (Photolyse)
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Stratosphärenchemie
Polare stratosphärische Wolken (PSC),
auf ihnen kommt es zu heterogenen Reaktionen:
PSC
ClONO 2  HCl 
 Cl 2  HNO 3
PSC
ClONO 2  H2O 
 HOCl  HNO 3
HOCl  HCl
PSC

 Cl 2  H2O
N2O5  HCl
PSC

 ClNO 2  HNO 3
N2O5  H2O
PSC

 2HNO 3
Resultat: ClOx kommt aus seiner Reservoirsubstanz und NOx wird zu HNO3
konvertiert (Denitrifizierung).
Alle Reaktionen laufen nur bei sehr tiefen Temperaturen ab.
Stratosphäre ist sehr trocken  sehr niedrige Temperaturen werden für die
Kondensation benötigt (185K - 190K)
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Stratosphärenchemie
PSC’s können bestehen aus: NAT (nitric acid trihydrate HNO3.3H2O)

Eis (bei sehr tiefen Temperaturen)

Dreifach-Lösung aus HNO3, H2SO4 and H2O
Unterschiede zwischen den zwei Hemisphären:
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Stratosphärenchemie

Antarktik:
sehr tiefe Temperaturen im polaren Vortex, jedes
Jahr sehr stabil und langlebig
HNO3 und Eis werden aus der Stratosphäre
bewegt

Arktik:
sehr variable Temperaturen, wenig PSCs, früher Aufbruch des Vortex, keine oder
geringe Denitrifizierung und Dehydrierung
Vortexbildung, PSC Bildung, Konvertierung von Chlorreservoirsubstanzen zu
aktiven Chlorverbindungen und NOx zu HNO3, Sedimentation von PSC’s
(Denitrifizierung), Sonnenaufgang  Ozonverlust, Vortex bricht auf, „Wiederbildung“ der Reservoirsubstanzen
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Stratosphärenchemie
Wie ist die Ozonkonzentration mit der globalen Erwärmung korreliert?
Ozon absorbiert UV-Strahlung, erwärmt die Stratosphäre weniger Ozon kältere
Stratosphäre
Treibhausgas absorbiert IR Strahlung von der Erdoberfläche, erwärmt die untere
Atmosphäre aber kühlt die obere Atmosphäre ab  globale Erwärmung führt zu
einer kälteren Stratosphäre
Reduktion der stratosphärischen Temperatur, Anstieg der PSC und im Frühling
Reduktion von Ozon, Anstiege der heterogenen Prozesse in den mittleren
Breiten möglich
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