(7%) CH4 (0,3 %) - Bristol ChemLabS

Prof. Dudley Shallcross, ACRG
Tim Harrison, Bristol ChemLabS
2008
Die Geschichte
eines Schadstoffs
German translation: Feb. 23, 2015
2
Übersicht des Vortrags
• Vergleich der Erde mit
anderen Planeten
• Stickstoff und Sauerstoff
• Verlauf der Temperatur
• Troposphärische
Schadstoffe
3
Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten
Jupiter
H2 (93%)
He (7%)
CH4 (0,3 %)
Saturn
H2 (96%)
He (3%)
CH4 (0,45 %)
Uranus
H2 (82%)
He (15%)
CH4 (2,3 %)
Neptun
H2 (80%)
He (19%)
CH4 (1-2 %)
Venus
CO2 (96%)
N2 (3,5%)
SO2 (0,015 %)
Mars
CO2 (95%)
N2 (2,7%)
Ar (1,6 %)
Erde
N2 (78%)
O2 (21%)
Ar (0,93 %)
Stickstoff (N2)
4
NN
Bindungsenergie = 944 kJ/mol
78% unserer Atmosphäre sind inert
Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei – 196 OC
Farb- und geruchlos
TGH
5
Bakterienhaufen
Foto: Dr. Hazel Mottram
Sauerstoff (O2)
6
O=O
Bindungsenergie = 496 kJ/mol
21% der Atmosphäre
Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei -183 OC
Farb- und geruchlos
Photosynthese ist die Hauptquelle für O2:
6CO2 + 6H2O + Sonnenlicht  C6H12O6 + 6O2
2H2O2  2H2O + O2
TGH
7
“Spirale des Lebens”
Foto: Dr. Adrian Mulholland
8
(Thermosphäre)
Höhe
(Mesosphäre)
(Stratosphäre)
(Ozon Maximum)
(Troposphäre)
Temperatur
9
Chemie der Luft in der Stadt
10 km
Die Tropopause
Die Grenzschicht
1 km
NO, NO2,
VOC
VOC
?
0 km
Stoffe biogenen und menschlichen Ursprungs
10
Was passiert mit den flüchtigen Kohlenwassertstoffen
(VOC, volatile organic compounds)?
• Pflanzen, darunter Bäume, emittieren eine breite Palette an
organischen Stoffen: Alkene, Alkohole, Carbonyle (Aldehyde,
Ketone), Säuren
• Fahrzeuge emittieren Kohlenwasserstoffe und aromatische
Spezies
Viele dieser Stoffe sind wasserunlöslich und werden nicht
ausgeregnet; Wie werden sie aus der Atmosphäre entfernt?
TGH
11
Verbrennung bei hoher Temperatur
VOC können in Luft oxidiert (verbrannt) werden nach
folgender Reaktionsgleichung (Beispiel):
CaC2 + 2H2O  Ca(OH)2 + C2H2
C2H2 + (5/2)O2  2CO2 + H2O
CH3OH + (3/2)O2  CO2 + 2H2O
Die Atmosphäre oxidiert VOC mithilfe freier Radikale
12
VOC werden vom OH Radikal abgebaut,
welches sich aus Sonnenlicht bildet
O3 + Sonnenlicht  O * + O2
O* + H2O
 OH +  OH
OH + R-H
  R + H2O
 < ~ 330 nm
Messung von Stickoxiden in der Luft von Bristol
Bristol 20th January 2001
Messung vonNONO
am 20.01.2001 in Bristol
450
400
350
300
NO (ppb)
NO ppb
13
250
200
150
100
50
0
0
3
6
9
12
15
18
21
24
Hour
Stunde
Verbrennung ist die Hauptquelle von NO2
(NO wird in der Luft zu NO2 oxidiert)
TGH
14
Photochemischer Smog
NO2 + Sonnenlicht  O * + NO
O* + O2
 < ~ 400 nm
 O3
TGH
Photochemischer Smog in Bristol: 27/07/2001
Ozone episode 27th July 2001 Bristol area
80
1
0.9
70
0.8
60
50
40
0.5
CO ppm
0.6
CO (ppm)
0.7
O O3 (ppb)
NO und
NO and 3
ppb
15
0.4
30
0.3
20
0.2
10
0.1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
hour of day
Stunde
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
NO
O3
CO
16
CO2 Messungen in Bristol
CO2 wurde über mehrere Jahre im Old Park Hill gemessen.
17
CO2 Messungen in Bristol
CO2 Minima (Stundenwerte)
Datum
18
Langzeitmessungen von CO2
CO2 Gehalt der Luft bei Mauna Loa (ppm)
CO2 Messungen
wurden bei Mauna
Loa (Hawaii) für einige
Jahre durchgeführt.
Man erkennt einen
stetigen Anstieg.
19
Der verstärkte Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt
Sonnenstrahlung
passiert die
klare
Atmosphäre
Ein Teil der
Strahlung wird von
der Erde und der
Atmosphäre
reflektiert
Ein Großteil der Strahlung wird
von der Erdoberfläche absorbiert
und erwärmt diese
Ein Teil der Infrarotstrahlung passiert die
Atmosphäre, und ein Teil wird von Treibhausgasen absorbiert und in alle Richtungen reemittiert. In der Folge erwärmen sich die
Erdoberfläche und die untere Atmosphäre
Infrarotstrahlung wird von der
Erdoberfläche emittiert
20
Geheimnisse im Eis
Secrets in the Ice
•
Schnee “vergräbt” und archiviert Nachweise für
Zustände der Umwelt.
•
Er wird zu Eis verdichtet und koserviert die Daten.
•
Man kann nach Eiskernen und Daten bohren.
CO2 Niveau der letzten 1000 Jahre
CO2 Gehalt (ppm)
21
Südpol
Jahr
Gase werden aus eingeschlossenen Blasen extrahiert (diese
sind in den Eiskernen “gefangen”). Sie geben Aufschluss über
die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre.
22
Froschchor
Foto: Dr. Simon Hall
CH4 (ppb)
Global (errechnet)
Jahr
Jahr
Jahr
Strahlungsantrieb (W/m²)
N2O (ppb)
Strahlungsantrieb (W/m²)
23
Methan (CH4) and Lachgas (N2O)
Anstieg der globalen Temperatur
Mittlere Oberflächentemperatur der Luft (Jahresmittel),
relativ zum Ende des 19. Jahrhunderts
Temperaturänderung (°C)
24
Auswirkungen der
globalen Erwärmung
25
•
Änderungen
–
–
–
Niederschläge
Meeresniveau
Extrema im Wetter
1941
2004
26
Simulation (Modell)
Messungen
Nur natürliche Treiber
(Variabilität von Sonne,
Vulkanen, etc.)
The Met Office
Temperaturanomalie (°C)
Temperaturanomalie (°C)
Modellrechnungen des jüngeren Klimas
Simulation (Modell)
Messungen
Nur anthropogene Treiber
(Änderungen, die durch menschliches
Handeln bedingt sind)
Berechnete globale Erwärmung von 1860-2000:
Natürliche und menschenbedingte Faktoren
1,0
Temperaturanstieg
Temperature rise o C (°C)
27
Gemessen
Simulation (Modell)
0,5
0,0
Hadley Centre
1850
1900
1950
2000
28
Impacts of Climate
on the world:
Temperature
Einfluss
des Klimas
auf
die Welt: Temperatur
Änderungen der mittleren Oberflächenlufttemperaturen DezemberJänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)
Einheit: °C
Mittelwert: 3,3; Minimum: -0,3; Maximum: 17,7
29
Impacts of Climate
the World:auf
Rainfall
Einfluss
desonKlimas
die Welt: Niederschläge
Änderungen der mittleren Niederschläge Dezember-Jänner-Februar von
1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)
Einheit: mm pro Tag
Mittelwert: 0,2; Minimum: -6,0; Maximum: 8,5
Szenario 2: Stabilisierung bei
500 ppm CO2 in der Atmosphäre
Emissionen von fossilen
Treibstoffen (GtC/Jahr)
Szenario 1: 1,5% pro Jahr
exponentielles Wachstum
50 Jahre
Jahr
Emissionen von fossilen
Treibstoffen (GtC/Jahr)
wedge = Keil
1 GtC/Jahr
StabilisierungsKeile
Szenario 2
Stabilisierungsdreieck
Weitere CO2 Emissionen von
fossilen Treibstoffen
Jahr
GtC = Gigatonnen Kohlenstoff = 109 Tonnen C
Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien
Emissionen Kohlenstoff in
Milliarden Tonnen pro Jahr
14
7
Historische Emissionen
0
1955
2005
2055
2105
Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien
Emissionen Kohlenstoff in
Milliarden Tonnen pro Jahr
14
7
Historische Emissionen
0
1955
2005
2055
2105
Emissionen Kohlenstoff in
Milliarden Tonnen pro Jahr
14
7
Historische Emissionen
Flacher Pfad
0
1955
2005
2055
2105
Emissionen Kohlenstoff in
Milliarden Tonnen pro Jahr
Einfaches CO2 Ziel
~850 ppm
14
Stabilisierungsdreieck
7
Historische Emissionen
Flacher Pfad
0
1955
2005
2055
2105
Emissionen Kohlenstoff in
Milliarden Tonnen pro Jahr
14
14 GtC/Jahr
Sieben “Keile”
7
7 GtC/Jahr
Historische Emissionen
Flacher Pfad
0
1955
2005
2055
2105
Heute verfügbare Technologien für die Keile
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Verbesserung der Treibstoffeffizienz
Reduktion der Abhängigkeit von PKW
Energieeffizientere Gebäude
Effizientere Kraftwerke
Weniger Kohlenstoff für Strom und Treibstoffe
(“Dekarbonisierung”)
Ersatz von Kohle durch Erdgas
Kernspaltung
Windstrom
Photovoltaik
Biotreibstoffe
Carbon capture and storage (CCS, KohlenstoffAbscheidung und –Speicherung)
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Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten
Jupiter
H2 (93%)
He (7%)
CH4 (0,3 %)
Saturn
H2 (96%)
He (3%)
CH4 (0,45 %)
Uranus
H2 (82%)
He (15%)
CH4 (2,3 %)
Neptun
H2 (80%)
He (19%)
CH4 (1-2 %)
Venus
CO2 (96%)
N2 (3,5%)
SO2 (0,015 %)
Mars
CO2 (95%)
N2 (2,7%)
Ar (1,6 %)
Erde
N2 (78%)
O2 (21%)
Ar (0,93 %)
TGH
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Danksagung
Bristol ChemLabS
British Council
Sci Fest Africa 2008
[email protected]
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http://www.chemlabs.bris.ac.uk/outreach