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Chlorchemie on Ice Über polare Stratosphärenwolken und den Ozonabbau Vortrag von Markus Seidl am 8. Juni 2006, basierend auf www.espere.net Download: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/4hj.html Einleitung Atmosphäre, polare Stratosphärenwolken stratosphärisches Ozon Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Abbau der Ozonschicht durch FCKW Reaktionsgleichungen Mechanismus Forschungsergebnisse und Diskussion Zeitliche Entwicklung der Ozonkonzentration in der Atmosphäre Die Zukunft des Ozonlochs 3 Die Atmosphäre Einteilung der Atmosphäre in Schichten Atmosphäre aus dem All Die Atmosphäre Absorption von kurzwelligem Licht durch Stickstoff, Sauerstoff und Ozon 4 Die Atmosphäre Temperaturprofil der Atmosphäre 5 Die Atmosphäre Polare Stratosphärenwolken (PSC) Kiruna / Schweden 6 7 Die Atmosphäre Chapman - Reaktionen (Gleichgewicht) Natürliche Ozonbildung und -abbau in der Stratosphäre Erdgeschichtliche Ozonbildung: Folge der O2-Freisetzung zw. 2000 - 600 Mio. Jahren vor der heutigen Zeit Entstehung der Biosphäre bzw. des Lebens Die Atmosphäre UV-Licht führt zur Ozonbildung, es wird durch Ozon aber auch absorbiert - Konsequenzen: 1) Licht erreicht die unteren Atmosphärenteile nicht 2) Begrenzte Ozonmenge (Gleichgewicht) 3) Wärmestrahlung heizt die Stratosphäre auf 8 Die Atmosphäre Die Dicke der Ozonschicht: - zw. 18 und 40 km Höhe deutlich mehr Ozon als in der Troposphäre und Mesosphäre - Anteil des Ozons relativ zu N2 und O2 immer noch äußerst gering (1 : 10 5 ) Ozon-Höhenprofil 85 - 90% des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre Konzentration des Ozons vor allem in der unteren Stratosphäre 9 Die Atmosphäre Messung der gesamten Ozonsäule: Dobson units (DU) Dobson Spektrometer 10 Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone) - voll halogenierte Kohlenstoffverbindungen Klimaschädigende Wirkung: 1) Ozonabbau in der Stratosphäre, extrem unter Schlüsselbedingungen (ODP) 2) als Treibhausgase mit einem sehr hohen Erderwärmungspotential, hoher positiver Strahlungsantrieb (GWP) keine natürlichen Quellen (haben größten Einfluss auf das Klima): CFC-11 (CFCl3), CFC-12 (CF2Cl2) und CFC-113 (CF2ClCFCl2) trop. Lebensdauer: ca. 50-100 Jahre natürliche Chlorquelle: CH3Cl (Methylchlorid) trop. Lebensdauer: ca. 1,3 Jahre Primärquellen des Chlors 11 Erforschung des Mechanismus des Ozonabbaus durch Chlorradikale "for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone" Komplexe Bedingungen: 1) extrem niedrige Temperaturen (-80°C) 2) Sonnenlicht (UV-B Strahlung) 3) Polarwirbel Kettenreaktion 12 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikalbildung: 1) Photolyse (Bildung von Cl·) 2) Oxidation (zu ClO·) kettenauslösendes Radikal: Recycling Bildung von Reservoir-Spezies 13 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO2 Bildung von ClONO2 (Reservoir-Spezies 1) z.B. M = N2 14 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO und CH4 Bildung von HCl (Reservoir-Spezies 2) 15 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 1) Entzug der Stickstoffkatalysatoren: ·NO + O3 ·NO2 + O2 ·NO2 + ·NO3 + M* N2O5 + M N2O5 + H2O 2 HNO3 16 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 2) Katalytische Wirkung der PSC: HCl + ClONO2 Cl2 + HNO3 17 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 3) Sonnenlicht (Ende der Polarnacht): Cl2 + hν 2 Cl· 4) katalytische Kettenreaktion: 2 Cl· + 2 O3 2 ClO· + 2 O2 2 ClO· + M Cl2O2 + M Cl2O2 + hν Cl· + ClO2· 2 Cl· + O2 ______________________________________ 2 O3 + hν 3 O2 (Netto) 18 19 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Höhe 5) Polarwirbel: Bildung der Chlorspezies (Cl·, ClO· und Cl2O2) in der oberen Stratosphäre Ozon ist in der unteren Stratosphäre konzentriert Ozonkonzentration keine starke Ozonreduktion erwartet aber: Durchmischung !! Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Ozonloch im Polarwirbel (5. Juli bis 1. Oktober 1998, http://toms.gsfc.nasa.gov/) 20 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Zusammenwirken aller Schlüsselbedingungen Ozonlochbildung über der Antarktis: jährlich im Sept./Okt. (antarkt. Frühling) am Ende der Polarnacht Bildung eines kleineren Ozonlochs über der Arktis: in manchen Jahren im März Im weiteren Jahresverlauf: Polarwolken lösen sich & Zusammenbruch des Polarwirbels NOx wieder verfügbar (fangen die Chlorradikale ab) Ozonschicht erholt sich 21 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Ozonloch über der Antarktis 1998 22 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Änderung des Ozon-Partialdrucks über der Antarktis 2001 23 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Ozon-Messreihe von Arosa (Schweiz, P. Götz) 24 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration Zeitliche Entwicklung der Konzentration von CFC-11 und CFC-12 in der Atmosphäre NH ...nördliche Hemisphäre CFC-12 SH ...südliche Hemisphäre CFC-11 (CFCl3): ΔHdiss (C-Cl) = 318 kJ · mol-1, = 45 a CFC-11 CFC-12 (CF2Cl2): ΔHdiss (C-Cl) = 338 kJ · mol-1, = 100 a Montrealer Protokoll (1987) über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen; Folgeprotokolle. 25 26 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration Neuere Trends für CFC-11 und CFC-12 Konzentrationsmaxima (Erdoberfläche): CFC-11 (45 Jahre) 1994 CFC-12 (100 Jahre) 2004 27 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration ODP ...ozone depletion potential GWP ...global warming potential Vergleich zwischen FCKW und H-FCKW bzgl. ODP und GWP Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss des Ozonlochs auf den Strahlungshaushalt der Erde Abnahme der Ozonkonzentration führt zu 2 gegenläufigen Effekten: 1) pos. Strahlungsantrieb durch UV-B Durchlässigkeit der Stratosphäre 2) neg. Strahlungsantrieb durch Verringerung des Wärmetransports in die Troposphäre (überkompensiert Punkt 1 aufgrund der Albedo) negativer Strahlungsbeitrag (leichte Abkühlung) 28 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt) Abbau des stratosphärischen Ozons geringere UV-Absorption führt zu weniger Wärmestrahlung reduzierter Treibhauseffekt, v.a. in der unteren Stratosphäre Globale Erwärmung der Troposphäre durch den Anstieg an Treibhausgasen v.a. eine hohe CO2-Konzentration in der Nähe der Erdoberfläche reduziert die IR- Intensität in der unteren Stratosphäre in dieser wird die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie 29 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch Zeitliche Entwicklung der Temperatur in der unteren Stratosphäre 30 verwendete Literatur http://www.espere.net http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1995/index.html http://www.uneptie.org/ozonaction/ http://toms.gsfc.nasa.gov/ Koß, Volker: Umweltchemie - Eine Einführung für Studium und Praxis. Springer, 1997. weiterführende Literatur http://www.unep.org/ozone/pdf/qa.pdf http://ozone.unep.org http://ozone.gi.alaska.edu/index.htm http://www.meteoros.de/psc/psc.htm http://www.bmu.de/luftreinhaltung/ozonschicht_ozonloch/linkliste/doc/2568.php Download http://www.atmosphere.mpg.de/enid/4hj.html Danke für das Interesse an meinem Vortrag
