II.II - IMN/HTWK

2.2
Treibhausgase und Klima
Klima
Durchschnittlicher Zustand der Atmosphäre an einem Ort über einen
längeren Zeitraum (30 Jahre), der
anhand meteorologischer Daten beschrieben wird.
Wetter (Stunde), Wetterlage (Tag),
Witterung (Tage - Wochen)
Klimafaktoren
geographische Breite ( Globalstrahlung)
Lage zum Meer
Höhenlage, Lage zu Gebirgen
Bodenbedeckung
Kreisläufe und Zirkulationssysteme
Klimaelemente (messbar):
Lufttemperatur
Luftdruck
Luftfeuchtigkeit
Globalstrahlung
Wind
Niederschlag
Verdunstung
Globalstrahlung
Schwankung durch Einfallswinkel und Exzentrizität der Erdbahn um die Sonne
Neigung 23,5 °
Sommer
Winter
Solarkonstante E0 = 1367 W/m2
langjährig gemittelte Bestrahlungsstärke der Sonne auf eine Fläche von 1 m2,
senkrecht zur Einstrahlung und unter Vernachlässigung der Atmosphäre
Mitteleuropa: Sommermittag bei wolkenlosem Himmel
bedeckter Himmel und trübes Wetter
ca. 900 W/m²
ca. 100 W/m²
Jahressumme
Deutschland zwischen 900 und 1200
kWh/m² ( 100 bis 135 W/m²)
Spanien ca. 2.000 kWh/m²
( 230 W/m²)
in der Sahara ca. 2.500 kWh/m²
( 285 W/m²).
H=E⋅t
H
Bestrahlung in J/m2
E
Bestrahlungsstärke in W/m2
T
Bestrahlungszeit in s
Berechnen Sie die mittlere jährliche Globalstrahlung in Berlin-Tempelhof in
MJ/m2 und kWh/m2, wenn die mittlere jährliche Bestrahlungsstärke
(Strahlungsintensität) 111,8 W/m2 beträgt!
• Natürlicher Treibhauseffekt
Die auf die Erdoberfläche einfallende
Sonnenstrahlung wird dort in Wärmeenergie umgewandelt.
Abstrahlung als Wärmestrahlung (IRStrahlung) von der Erde
Der größte Teil
wird nicht ins
sonderen von
(Treibhausgase)
chert.
dieser Wärmestrahlung
Weltall transportiert,
einigen Spurengasen
absorbiert und gespei-
signifikante Beeinflussung des Wärmehaushalts der Atmosphäre
Einfluss auf Temperatur und Klima,
Erwärmung der Erde um insges. 33 °C
(Mittelwert + 15 °C
- 18 °C)
Wichtige klimarelevante
natürliche Spurengase
H2O(g)
Wasserdampf
CO2
Kohlendioxid
CH4
Methan
N2O
Lachgas
O3
Ozon
Natürlicher Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)
Ungehinderte Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung
Treibhaus
Atmosphäre
Unveränderte Einstrahlung, Reflektion Wärmestrahlung
steigende Oberflächentemperatur, höhere Abstrahlung
neues thermisches Gleichgewicht, höhere Oberflächentemperatur
Natürlicher Treibhauseffekt
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
400
500
600
700
λ/nm
Sichtbares Licht
kosmische
-14
γ-Strahlen
-13
-12
Röntgenstrahlen
-11
1 pm
-10
-9
-8
Infrarotstrahlen
-7
-6
1 nm
Radioaktivität
4
He 2 + 11 p
2
UV
1 µm
CBA
Röntgenröhre
-5
-4
Mikrowellen
-3
-2
1 mm
Wärmestrahler
Sonne CD
-1
Radiowellen
0
lg λ/m
1m
Mobilfunk
Radar
Rundfunk
Spektrale Strahlungsintensität
der solaren Einstrahlung und
terrestrischen Ausstrahlung
Absorptionsspektren der
Spurengase H2O, CO2 und O3
Wirkung der Treibhausgase
Treibhausrelevante Spurengase sind Moleküle mit drei oder mehr Atomen, die
die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung)
der Erde absorbieren können.
Fundamentalschwingungen eines
CO2-Moleküls
Die absorbierte Energie wird in Form
von
Molekülschwingungen
und/oder
-rotationen gespeichert (Erhöhung der
kinetischen Energie).
symmetrische Streckschwingung
Stickstoff
und
Sauerstoff,
die
Hauptbestandteile der Atmosphäre, sind
zweiatomige Moleküle ohne Dipolmoment
und absorbieren daher keine Infrarotstrahlung!
asymmetrische Streckschwingung
Knickschwingung
• Zusätzlicher (anthropogener) Treibhauseffekt
Der zusätzliche oder anthropogene
Treibhauseffekt wird durch die Aktivitäten des Menschen verursacht.
Sein
Anteil
an
der
gesamten
Temperaturerhöhung von 33 °C beträgt
heute ca. 0,8 °C, also mehr 2 %.
Er ist auf den deutlichen Anstieg
folgender Spurengase zurückzuführen:
CO2
Industrialisierung
CH4
Landwirtschaft, Industrie
N2O
Landwirtschaft, NOx-Minderung
FCKW
Kältemittel, Treibgas
SF6
Isoliergas, Schutzgas
(noch kein signifikanter Einfluss,
doch starker Anstieg der Konz.)
CO2 aus fossilen Energieträgern
Methan aus mikrobiellen Abbau
CO2-Volumenanteil in der Luft (Bliefert, 2002)
CO2-Volumenanteil in der Luft
während der letzten 750 000 a
nie über 290 ppm!
Primärenergieverbrauch und CO2-Emission (ibid.)
Kohlendioxidausstoß weltweit, 1971
10 %
27 %
Kraftwerke
16 %
Verkehr
Industrie
Handel, Einrichtungen
Haushalte
27 %
20 %
Kohlendioxidausstoß weltweit, 2007
6%
10 %
41 %
20 %
23 %
Kraftwerke
Verkehr
Industrie
Handel, Einrichtungen
Haushalte
Berechnen Sie die Menge an CO2, welche zur Erzeugung der gleichen
Wärmemenge aus Kohle (C) und Erdgas (CH4) freigesetzt wird.
C (s)
+ O2 (g)
CH4 (g) + 2 O2 (g)
CO2 (g)
(1)
CO2 (g) + 2 H2O (g) (2)
Die Menge an CO2 bei gleicher Wärmemenge sinkt mit zunehmendem
relativen Wasserstoffgehalt des Brennstoffs.
C: 100 % C
CH4: 75 % C, 25 % H
H2: 100 % H
Anthropogene Methanquellen
5%
11 %
4%
26 %
11 %
24 %
19 %
Energieerzeugung
Wiederkäuer
Reisanbau
Müll
Verbrennung
Abfall
Andere
Beitrag der wichtigsten Klimagase zum Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)
Gas
Anteil am zus. Erwärmungseffekt
Treibhauseffekt
insgesamt
(in %)
(in K)
Relatives Treibhauspotenzial1)
Relativer Anstieg
pro Jahr
(in %)
CO2
50
7,2
1
0,4
CH4
13
0,8
21
1,0
N2O
5
1,4
310
0,25
O3 (bodennah)
7
2,4
2 000
0,7
H2O
2)
FCKW
20,6
CFCl3
5
12 400
CF2Cl2
12
0,6
0,8 K in 100 a
Σ ca. 33 K
15 800
weitere
1)
1 O3-Molekül mit gleicher Treibhauswirkung wie 2000 CO2-Moleküle
2)
wechselnde Mengen
Die Staaten mit dem höchsten CO2-Ausstoß 2007
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
2015
Land
China
USA
Russland
Indien
Japan
Deutschland
Kanada
Großbritannien
Südkorea
Iran
Mexiko
Italien
Australien
Indonesien
Frankreich
Saudi-Arabien
Brasilien
Südafrika
Spanien
Ukraine
Alle Länder
Mio. t
6028
5769
1587
1324
1236
798
573
523
489
466
438
438
396
377
369
358
347
346
345
314
28 962
Anteil %
20,8
19,9
5,5
4,6
4,3
2,8
2,0
1,8
1,7
1,6
1,5
1,5
1,4
1,3
1,3
1,2
1,2
1,2
1,2
1,1
100
Nr.
1
2
3
4
6
7
8
9
10
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Land
USA
Australien
Kanada
Saudi-Arabien
Russland
Südkorea
Deutschland
Japan
Großbritannien
Spanien
Italien
Südafrika
Ukraine
Iran
Frankreich
China
Mexiko
Brasilien
Indonesien
Indien
Im Mittel
t pro Kopf
19,1
18,8
17,4
14,8
11,2
10,1
9,7
9,7
8,6
7,7
7,4
7,3
6,8
6,6
5,8
4,6
4,1
1,8
1,7
1,2
4,4
2011
CO2-Reduktion durch Tempolimit
Gesamtlänge
der
Autobahnen
Deutschland ca. 12 000 km
in
53 % ohne Tempolimit
etwa 1/3 aller PKW-Kilometer entfallen
auf Autobahnen
Großer Diesel-PkW:
120 km/h
200 g CO2/km
145 km/h
> 300 g CO2/km
Zusätzliche CO2-Emission durch ständiges
Abbremsen und Beschleunigen
CO2-Einsparpotenzial bei Tempolimit 120
km/h und Fahrzeuganpassung bis 30 %1)
1)
UBA, CO2-Emissionsminderung im Verkehr in Deutschland, 05/2010
EU-Verordnung (Fahrzeugflotte):
2015: ∅ 130 g CO2 / km
2020: ∅ 95 g CO2 / km
Bei Kraftfahrzeugen wird heute der durchschnittliche CO2-Ausstoß in g/km
angegeben.
a) Welcher CO2-Ausstoß ergibt sich bei einem durchschnittlichen Benzinverbrauch
von 8,8 L auf 100 km? Gehen Sie bei der Berechnung davon aus, dass die
physikalisch-chemischen Eigenschaften von Benzin denen von n-Octan (C8H18)
mit der Dichte ρ = 0,70 kg/L entsprechen! Formulieren Sie zunächst die
Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von n-Octan zu CO2 und
H2O!
b) Wie viel L Benzin (n-Octan) dürfte ein Kraftfahrzeug maximal verbrauchen,
damit das von der EU angestrebte Ziel für den CO2-Ausstoß von 120 g/km
erreicht wird?
114,23 g
a) n-C8H18 + 12,5 O2
8,8 L x 0,7 kg/L 1
= 6,16 kg
352,08 g
8 CO2(g) + 9 H2O (l)
m(CO2)
114,23 g
b) n-C8H18 + 12,5 O2
m(n-C8H18)
352,08 g
8 CO2(g) + 9 H2O (l)
12 kg
• Rückkopplungsmechanismen
Treibhauseffekt und Aerosole
kleinste feste oder flüssige Schwebeteilchen
in der Luft (z. B. Nitrate, Sulfate, H2SO4, SO3, ...)
Bildung aus Luftschadstoffen (z. B. SO2, NOx aus
Kohleverbrennung) oder direkte Freisetzung
Folge der industriellen Entwicklung in den
Schwellenländern (China, Indien)
Schmutzschleier, der einen Teil des Sonnenlichts ins All zurückreflektiert
Maskierung des globalen Treibhauseffektes, Kondensationskerne für Wolken
Wenn wir die Luftverschmutzung zurückfahren würden, aber nicht den CO2Ausstoß, dann würde es sogar noch sehr viel schneller warm werden auf der
Erde.
Treibhauseffekt und Wasserdampfgehalt
Beitrag von Wasserdampf (aus Wasserkreislauf und Vulkanismus) zum
natürlichen Treibhauseffekt etwa 60 %
Hauptursache des zusätzlichen Treibhauseffektes
Anstieg der Konzentration
der Treibhausgase CO2 und CH4
Höhere Lufttemperatur führt zwangsläufig zur Erhöhung des mittleren
Wasserdampfgehalts der Atmosphäre (Erhöhung der Verdunstungsrate,
höheres Speichervermögen)
a) "Positive Rückkopplung" des Klimasystems
Verstärkung des Treibhauseffekts durch erhöhte Absorption von IR-Strahlung
b) Abnahme der mittleren Temperatur der Erdoberfläche
Wolkenbildung und Reflektion von einfallendem Sonnenlicht
vermehrte
c) Kompensation/Überlagerung beider Effekte (Gegenstand intensiver Forschung)
Treibhauseffekt und Methanhydrat
Chemie
CH4 ⋅ 5,75 H2O (hoch verdichtete Form)
Elementarzelle: 46 H2O + 8 CH4
unter Normalbedingungen gilt:
1 L Gashydrat = 164 L CH4 + 0,8 L H2O
Bildung
ab etwa 20 bar, 2 - 4 °C
300 m Tiefe Arktis, 600 m Tropen
(Kontinentalränder)
Permafrostboden Sibiriens
Folgen der Freisetzung
Diffusion
Ausbruch
Zeitskala (Lösung, Oxidation, Versauerung)
Rückkopplungseffekt
• Auswirkungen des zusätzlichen Treibhauseffektes
Bis zum Jahr 2100 wird eine globale
Erwärmung zwischen 1,1 und 6,4 °C
prognostiziert (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change)
Anstieg um 2 - 3 °C bewirkt:
Anstieg des Meeresspiegels um 30 50 cm, Abschmelzen des Eises
Veränderte Häufigkeit, Intensität und
Verteilung des Niederschlags
Hochwasser und Überschwemmungen
insbesondere in Asien
Allgemeine Zunahme von extremen
Wetterereignissen (Hitzewellen, Dürren, Starkregen, Stürme)
Wald- bzw. Brandrodung
Erschließung neuer landwirtschaftlicher Flächen
Aufbringen
Dünger
mineralischer
Verbrennung fossiler Energieträger
Produktion halogenierter
Kohlenwasserstoffe
Fünf elementare Fragen
Wie hoch wird der
Temperaturanstieg?
Wie stark wird der
Meeresspiegel ansteigen?
Bleibt die Lage auf dem
Planeten beherrschbar?
Muss in Zukunft mit verheerenden
Stürmen gerechnet werden?
Wo wird es mehr Dürren und wo mehr
Überschwemmungen geben?