Spurengase, Treibhauseffekt und Carbon-Zyklus

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1 Wintersemester 12/13 Ausbildungsseminar Wetter und Klima Spurengase, Treibhauseffekt und Carbon-Zyklus Peter Melzl 10. Januar

2 Inhaltsverzeichnis 1 Spurengase und Molekülabsoption Spurengase Molekülabsorption Rotationsspektrum Vibrationsspektrum Rotationsschwingspektrum Treibhauseffekt Treibhausgase Natürlicher Treibhauseffekt Regelmechanismus Anthropogener Treibhauseffekt Carbon-Zyklus Kohlenstoffspeicher Kohlenstoffkreisläufe Quellen 16 2

3 1 Spurengase und Molekülabsoption 1.1 Spurengase Die Atmosphäre der Erde besteht zu 78,084% aus Stickstoff und zu 20,942% aus Sauerstoff, die somit bereits 99% der Luft ausmachen. Unter Spurengasen versteht man nun Gase, die in geringem Anteil vorhanden sind (Abb. 1 ). Die meisten Spurengase haben eine homogene Verteilung in der Erdatmosphäre und eine relativ lange Lebensdauer. Bei manchen, wie zum Beispiel Ozon, ist die Konzentration von der Höhe abhängig. Abbildung 1: Spurengase in trockener Luft bei Normalnull Es folgen einige Eigenschaften von (Gas-)Molekülen, um die Auswirkungen von Spurengasen auf klimatische Effekte näher erläutern zu können. 3

4 1.2 Molekülabsorption Für Moleküle gibt es verschiedene Möglichkeiten Energie aufzunehmen. Es können zum Beispiel Elektronen in einen höheren angeregten Zustand wechseln. Die wahrscheinlichste ist jedoch, dass die aufgenommene Energie in Bewegung innerhalb des Moleküls umgesetzt wird. Hierbei unterscheidet man die Translation des Schwerpunktes, die Rotation de Moleküls um den Schwerpunkt und Schwingungen der Bindungspartner gegeneinander (Vibration). Allgemein hat ein Molekül mit n Atomen 3n Freiheitsgrade der Bewegung. Drei Freiheitsgrade entfallen dabei gewöhnlich auf die Rotation um die drei Hauptträgheitsachsen; außer alle Atome liegen auf einer Geraden, dann ist eine Rotation um die Molekülachse keine wirkliche Rotation des Kerngerüstes, sondern der Elektronenhülle und damit kein ausgezeichneter Freiheitsgrad (lineares Molekül). Drei weitere Freiheitsgrade beschreiben die Translation um den Schwerpunkt. Somit bleiben noch 3n-6 bzw. 3n-5 Freiheitsgrade für Vibrationen übrig Rotationsspektrum Grundsätzlich können nur polare Moleküle ein Rotationsspektrum besitzen, da nur hier eingestrahlte Photonen mit dem Dipolmoment wechselwirken können, z.b. HCl und NaCl. Dies schließt unpolare Moleküle, wie z.b. homoatomare zweiatomige (N 2, H 2 ) Moleküle aus. Allerdings gibt es Ausnahmen, wie z.b. O 2, welches da es paramagnetisch ist trotzdem mit elektromagnetischen Wellen in Wechselwirkung tritt und somit ein Rotationsspektrum aufweist. Zur Vereinfachung betrachten wir nur zweiatomige Moleküle: Diese können näherungsweise als starrer Rotator betrachtet werden. Aus der klassischen Mechanik ist die Energie E rot des starren Rotators bekannt: E rot = Iω2 2 = L2 2I mit I = µr2 (1) mit dem Trägheitmoment I, der Winkelgeschwindigkeit ω, dem Drehimpuls L und der reduzierten Masse µ. Nun substituiert man die aus der Quantenmechanik bekannten Eigenwerte des Drehimpulsoperators L 2 : E rot = 2 2I j(j + 1) mit L2 = 2 j(j + 1), j = 0, 1, 2,... (2) j ist die Rotationsquantenzahl. Meist wird die Energie über die Rotationskonstante B= h ausgedrückt. Bei Übergängen zwischen benachbarten Rotationsniveaus gilt j=±1, die Energie für einen solchen Übergang ergibt sich 8π 2 ci damit zu: 4

5 hc ν = hν = E j+1 E j (j + 1) (j + 2) 2 j (j + 1) 2 2I 2I 2(j + 1) 2 hc ν = 2I ν = 2(j + 1)B Da B mit zunehmendem I abnimmt, besitzen große Moleküle sehr eng liegende Rotationsniveaus. Abbildung 2: Energieunterschied zwischen benachbarten Rotationsniveaus Über den Abstand der Absorptionslinien kann man also B und damit das Trägheitsmoment I ermitteln. Die Werte der Rotationsenergie sind dabei um einiges kleiner als z.b. die Elektronenanregung (ca. 1 ev). Damit ist das reine Rotationsspektrum im sehr langwelligen Infrarotbereich zu finden (ca µm). Dabei ist zu beachten, dass die Raumtemperatur bereits ausreicht um Moleküle zum Rotieren anzuregen Vibrationsspektrum Durch thermische Bewegung kommt es zu Stößen zwischen Molekülen. Diese führen dazu, dass die Atomkerne eines Moleküls aus ihren Gleichgewichtslagen ausgelenkt werden. Dies führt zu harmonischen Schwingungen innerhalb des Moleküls. Abb. 3 zeigt die möglichen Schwingungsfreiheitsgrade für a) 5

6 ein nichtlineares dreiatomiges Molekül und b) ein lineares Molekül. Letzteres kann zwei verschiedene Knickschwingungen (in die Zeichenebene und senkrecht dazu) ausführen, deren Frequenz wegen der Symmetrie des Potentials gleich ist. Diese sind also energetisch entartet. Abbildung 3: Schwingungen a) eines nichtlinearen und b) eines linearen Moleküls Ist die Auslenkung der Kerne nicht zu groß, so lassen sich alle mögliche Schwingungen durch sogenannte Normalschwingungen darstellen. Diese sind dabei dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Normalschwingung alle Kerne des Moleküls gleichzeitig durch die Ruhelage gehen und dass Gesamtimpuls und Gesamtdrehimpuls des Kerngerüsts Null sind. Die Normalschwingungen lassen sich durch den harmonischen Oszillator nähern. Dieser hat die quantisierte Energie E vib. E vib = (N + 1 ) ω mit N = 0, 1, 2,... (3) 2 Als Auswahlregel zwischen den Vibrationszuständen gilt wieder N = ±1. Der Abstand zwischen zwei Vibrationsenergieniveaus beträgt ω; somit können Photonen dieser Energie aufgenommen und emittiert werden. In der Realität stimmt die Näherung durch den harmonischen Oszillator nur bedingt. Deshalb wird meist das Morse-Potential als genauere Näherung verwendet. Hier liegen die Energieniveaus mit größerer Schwingungsquantenzahl näher beisammen, was zu zusätzlichen Linien im Spektrum, den hot bands führt. Außerdem sind auch höhere Übergänge mit N = ±2, ±3,... erlaubt. 6

7 Abbildung 4: Energieniveaus im Morse-Potential Bei höheren Übergängen kann es so auch zu sogenannten Oberschwingungen (Vielfachen der Grundschwingung) und Kombinationsschwingungen (Addition verschiedener Grundschwingungen) kommen. Beide treten mit geringerer Wahrscheinlichkeit und zeigen damit geringerere Intensität im Spektrum. Bei Raumtemperatur befinden sich die meisten Moleküle im Grundzustand und müssen erst durch Photonen zu Vibrationsschwingungen angeregt werden. Die langwelligsten Linien des Schwingungsspektrums sind etwa um den Faktor 100 kleiner als die Wellenlänge der kürzesten Linie des Rotationsspektrums Rotationsschwingspektrum In der Realität kommen diese Anregungsformen nicht nur getrennt voneinander, sondern auch in Kombination vor. Bei diesen so genannten Rotationsschwingspektren sind Rotation und Vibration nicht unabhängig voneinander. So kann es zur Kopplungen zwischen Vibration und Rotation kommen, wenn sich bei der Anregung von Vibrationen der mittlere Abstand der Atome ändert und damit auch das Trägheitsmoment. Dies bedeutet, dass sich die Rotationskonstante ändert, was wiederum zu einer Verschiebung der Niveaus im Rotationspektrum führt. 7

8 2 Treibhauseffekt 2.1 Treibhausgase Unter den Spurengasen gibt es einige sogenannte klimaaktive Gase oder Treibhausgase, deren Absorptionsspektren vor allem im infraroten Bereich starken Einfluss auf das Klima der Erde haben.ein Treibhausgas besitzt außerdem eine lange Verweildauer und eine gleichmäßige Verteilung in der gesamten Atmosphäre. In der folgenden Abbildung sind die Absorptionsspektren der wichtigsten Treibhausgase zu sehen. Abbildung 5: Absorptionsbanden der wichtigsten Treibhausgase 2.2 Natürlicher Treibhauseffekt Die Sonne strahlt annähernd wie ein schwarzer Körper mit einer Oberflächentemperatur von 5700 K. Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz liegt das Emissionsmaximum der von ihr abgegebenen Strahlung bei Wellenlängen zwischen 0,3 bis 4µm. Die Wärmeausstrahlung der Erde nimmt hingegen einen Bereich von 4µm und 100µm ein. Abbildung 6 zeigt die potentielle Wärmeabstrahlung der Erde, das heißt ohne atmosphärische Einflüsse und ohne die Annahme, dass die Erde ein schwarzer Körper ist. Damit müsste sich eine Gleichgewichtstemperatur von -18C einstellen, gemittelt über die gesamte Erde und alle Jah- 8

9 reszeiten. In Wirklichkeit messen wir aber in Bodennähe eine mittlere Lufttemperatur von +15C. Diesen Unterschied von 33C bewirkt die Atmosphäre oder genauer gesagt die klimaaktiven Gase. Vereinfacht ausgedrückt wirkt die Atmosphäre wie das Glasdach eines Treibhauses, sie lässt die von der Sonne kommende Strahlung größtenteils ungehindert passieren, absorbiert aber einen Teil der Wärmestrahlung der Erde. Das Glas emittiert entsprechend seiner Temperatur Strahlung in alle Richtungen: zurück zur Erdoberfläche und in den interplanetarischen Raum. Dadurch erhöht sich die von der Erde aufgenommene Energie. Es kommt zur Erwärmung, die solange anhält bis sich auf einem höheren Temperaturniveau ein neues Strahlungsgleichgewicht eingestellt hat. Zu bemerken bleibt noch, dass durch ihre Abstrahlung in den Weltraum die Glasscheibe in ihrem oberen Bereich abkühlt. Allerdings sollte man mit diesem Modell vorsichtig sein, der Treibhauseffekt im kleinen Gartentreibhaus, beruht auch auf der Verhinderung des Wärmeausgleichs, der Konvektion und Verdunstung bzw. der Wärmeleitung (Wind) zur Herstellung optimaler Wachstumbedingungen. Dies trifft auf den Treibhauseffekt der Atmosphäre nicht zu. Hier kommen die Eigenschaften der klimaaktiven Gase zum tragen. Denn wie wir gesehen haben besitzen sie alle Absorptionsbereiche, die die von der Erde ausgehende Strahlung aufnehmen können, für die von der Sonne kommende Strahlung sind sie aber größtenteils transparent (Ausnahme Ozon im ultravioletten Bereich). Die Treibhausgase emittieren die aufgenommene Strahlungsenergie in alle Raumrichtungen, so dass ein Anteil wieder zurück zur Erdoberfläche gelangt und so die Temperatur erhöht. Das wichtigste Treibhausgas ist Wasserdampf, er macht je nach Quelle 40-80% des Treibhauseffektes aus. Insbesondere bewirkt er, dass nur zwischen 3,5 und 5µm sowie zwischen 7 und 20µm terestrische Strahlung wirksam die Atmosphäre verlassen kann. Dies bedeutet aber auch, dass andere Treibhausgase nur dann von wesentlicher Bedeutung sein können, wenn sie eines dieser beiden Fenster (teil)schließen. Dies ist beispielsweise bei Kohlendioxid der Fall, das bei 15µm und 4,5µm absorbiert. CO 2 macht, trotz einer viel geringeren Konzentration als Wasserdampf, 20-30% des Treibhauseffektes aus. 2.3 Regelmechanismus Erdgeschichtlich war der Treibhauseffekt von entscheidender Bedeutung. So ist die Leuchtkraft der Sonne seit ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren um über 30% angestiegen. Auf der Erde gab es jedoch schon sehr früh Wasser in flüssiger Form, was in Anbetracht der geringen Sonnenleistung unplausibel erscheint. Dieser Widerspruch wird das Paradoxon der schwachen 9

10 Abbildung 6: Emissionspektrum der Sonne im sichtbaren Wellenlängenbereich und der Erde im ifraroten Bereich jungen Sonne genannt. Die Konzentration der Treibhausgase insbesondere von Kohlendioxid und Methan hat über einen selbstregulierenden Mechanismus im Verlauf der Erdgeschichte stark abgenommen. Erhöhte Temperatur bewirkte verstärkte Verwitterung der Erdoberfläche und Ausfällung von Kohlendioxid im Meer in Form von Kalk. Dadurch nahm der Kohlendioxidgehalt ab, wodurch die Temperatur sank und Verwitterung und Ausfällung abnahmen, gleichzeitig blieb aber ein steter Zustrom an CO 2 durch Diagenese, Gesteinsmetamorphose und Vulkanismus (siehe Kapitel 3) erhalten, wodurch sich die Temperatur in der Folge wieder auf dem alten Wert bei einem niedrigeren Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre einpendelte. 2.4 Anthropogener Treibhauseffekt Direkte und kontinuierleiche Messungen der Kohlendioxidkonzentration gibt es erst seit den 1950 Jahren. Sie zeigen einen kontinuierlichen Aufwärtstrend. Inzwischen hat die CO 2 -Konzentration einen Rekordwert von 380 ppm überschritten, der seit mindestens Jahren nicht mehr erreicht wurde, denn soweit reichen die zuverlässigen Daten aus Eiskernbohrungen mittlerweile zurück. Dass der extreme Anstieg seit den 1850ern durch den Menschen verursacht 10

11 wird, gilt als bewiesen, denn wir wissen wie viele fossile Brennstoffe wir verbrennen und wie viel CO 2 in die Atmosphäre gelangt. Allerdings befindet sich nur noch etwa die Hälfte davon dort, der Rest wurde über Kohlenstoffkreisläufe von der Hydro- und der Biospäre aufgenommen (Kapitel 3). CO 2 ist hierbei jedoch nicht das einzige Treibhausgas. Auch die Konzentration an Methan und Distickstoffoxid ist durch menschliches Handeln angestiegen. Abbildung 7: Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre gemessen auf Hawaii (Keeling-Kurve) Wasserdampf als wichtigstes Treibhausgas wird davon nur indirekt beeinflusst. Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf halten (Clausius-Clapeyron- Gesetz), wodurch sich die Wasserdampfkonzentration der Atmosphäre erhöht, wenn durch andere Treibhausgase das Klima erhitzt wird. Dies führt zu einer positiven Rückkopplung, da erhöhte Wasserdampfkonzentration wieder die Erwärmung verstärkt. 11

12 3 Carbon-Zyklus Wie wir gesehen haben trägt Kohlenstoff als Bestandteil von Kohlendioxid maßgeblich dazu bei, dass auf diesem Planeten Temperaturen herrschen bei denen Leben, wie wir es kennen, entstehen konnte. Aufgrund seiner halb gefüllten L-Schale ist Kohlenstoff aber auch in der Lage mit anderen Atomen weit komplexere Moleküle zu bilden, so dass jede Lebensform auf der Erde zu einem Großteil aus Kohlenstoff besteht. Im weiteren wollen wir einen Blick auf die Kreisläufe werfen denen Kohlenstoff unterliegt, wie es gespeichert wird und welchen Einfluss der Mensch darauf nimmt. 3.1 Kohlenstoffspeicher Laut Schätzungen befinden sich 75 Petatonnen Kohlenstoff im geschlossenen System Erde. Um genauere Eigenschaften der Kohlenstoffspeicherung auszuarbeiten unterteilt man das System in vier Teilsysteme: Atmo-, Hydro-, Litho- und Biosphäre. Abb. 8 zeigt die Kohlenstoffverteilung auf diese. Abbildung 8: Anteil des Kohlenstoffs in Teilsystemen Atmosphäre In der Atmosphäre gibt es einige Gase die Kohlenstoff enthalten, z.b. Kohlendioxid (CO 2 ), Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH 4 ). Letztere kommen aber in zu geringen Mengen vor um bei einer quantitativen Betrachtung relevant zu sein. Da das System Erde aber sehr sensitiv auf 12

13 Veränderungen im Kolendioxidanteil in der Atmosphäre reagiert, ist es sehr interessant diese als Kohlenstoffspeicher zu betrachten. Hydrospäre In der Hydrosphäre findet sich Kohlenstoff vor allem als Hydrogencarbonat (HCO 3 ) und Carbonat (CO 3 ). Sie befindet sich in einem sensiblen Gleichgewicht mit folgender Reaktionsgleichung. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 + H CO H + (4) Lithosphäre Als Lithosphäre bezeichnet man die Erdkruste, die etwa 99,9% des gesamten Kohlenstoffs speichert. Man unterteilt sie weiter in die tiefer liegende Sedimentschicht, in der anorganische und organische Kohlenstoffverbindungen zu etwa 60Pt gespeichert werden und die bodennahe Pedosphäre die 15Pt Kohlenstoff enthält. Biosphäre Die Biosphäre enthält am wenigsten Kohlenstoff, gemessen an ihrer Größe ist dieser Teil aber doch enorm; 10% davon sind Teil von lebendem Gewebe. Um diese große Menge speichern zu können besitzen, die Lebewesen in der Biosphäre einen eigenen Kohlenstoffkreislauf. 3.2 Kohlenstoffkreisläufe Die Teilsysteme der Erde stehen in ständiger Wechselwirkung miteinander, dabei findet auch ein steter Fluss von Kohlenstoff zwischen ihnen statt. So ist es schwer von dem einen Kohlenstoffkreislauf zu sprechen, vielmehr existieren viele Teilkreisläufe von denen manchen in wenigen Stunden durchlaufen werden, andere aber Jahrmillionen andauern. Deshalb unterteilt man in kurzund langfristige Kreisläufe. Zu den kurzfristigen Kreisläufen zählen z.b. Atmung und Photosynthese von Lebewesen. Hierbei wird Kohlenstoff als CO 2 aus der Atmosphäre in der Biosphäre gebunden oder umgekehrt. Allerdings ist dieser Kreislauf starken Schwankungen unterworfen, da viele Pflanzen in den Wintermonaten wenig bis keine Photosynthese betreiben und so das Netto abgegebene CO 2 steigt. Außerdem wird ein Teil des gebundenen Kohlenstoffs durch Verbrennung und Rodung wieder freigesetzt, wodurch nur ein sehr kleiner Teil in schwer abbaubaren Humus übergeht und damit aus diesem Kreislauf ausscheidet. Ein weiterer kurzfristiger Kreislauf ist der Austausch von CO 2 zwischen Luft und Wasser durch Diffusion. 13

14 Abbildung 9: kurzfristiger Kohlenstoffkreislauf Die Kohlenstoff-Flüsse zwischen Atmosphäre und Lithosphäre zählen zu den langfristigen Kreisläufen und werden durch Sedimentation, Diagenese, Gesteinsmetamorphose, Verwitterung und Vulkanismus bestimmt. Diagenese ist die Verfestigung eines losen Sediments. Sie umfasst biologische, chemische und physikalische Umwandlungen von organischen oder mineralischen Stoffen. Durch chemischen Abbau abgestorbener, organischer Materie können Kerogen (wie Ölschiefer) und Bitumen (Teerstoffe) gebildet werden. Dabei entsteht auch Methan. Die Diagenese geht fließend in den Prozess der Gesteinsmetamorphose über. Dies ist der Prozess der Umwandlung von überwiegend festem Gestein aufgrund veränderter Temperatur- und Druckverhältnisse. Auf Grund sehr langsamer Konvektionsströme im Erdmantel, die durch den geothermischen Wärmefluss aus dem Erdinneren entstehen, werden die Schollen der Erdkruste gegeneinander bewegt, dabei reagieren Carbonatmineralien und Silicatmineralien: Calciumcarbonat (CaCO 3, Kalkstein) und Siliziumdioxid (SiO 2, Quarz) reagieren unter anderem zu Calciumsilicat (CaSiO 3 ), CO 2 und CH 4. Das bei der Diagenese und der Gesteinsmetamorphose freigesetzte CH 4 und CO 2 kann über Klüfte und Poren des Gesteins in die Atmosphäre gelangen. Vulkanismus umfasst sämtliche Prozesse, bei denen Magma an die Erdoberfläche gelangt. Damit geht eine Druck- und Temperaturerniedrigung ein- 14

15 her. Daher gehen gelöste flüchtige Bestandteile, wie zum Beispiel CO 2 oder H 2 O in die Gasphase über und werden in die Atmosphäre freigesetzt. Die Verwitterung von Carbonatsteinen ist mit einem Kohlenstofffluss aus der Atmosphäre und der Lithosphäre in die Hydrosphäre verbunden. An der Verwitterung ist Kohlensäure (H 2 CO 3 ) beteiligt, die durch Lösung von atmosphärischem CO 2 in Regen- oder Grundwasser entsteht. Trifft sie auf Gestein, das Calciumcarbonat (CaCO 3 ) enthält, reagiert sie mit diesem chemisch. Dabei entstehen Hydrogencarbonat (HCO 3 ) und Calcium (Ca). Die Verwitterungsprodukte werden über Flüsse in den Ozean verfrachtet.und dienen dort dem Plankton zum Aufbau von organischem Material und Kalkskeletten. Die Carbonatbildung durch Organismen ist die Umkehrreaktion der Verwitterung. Unter Sedimentation versteht man Ablagerung von festen Partikeln aus Wasser, Eis oder Luft. Sie setzt ein, wenn die Sinkgeschwindigkeit der Partikel größer ist, als die vertikal entgegengesetzte Geschwindigkeitsomponente des Transportmediums. Im Meer sedimentieren neben den Kalkskeletten von Organismen als weitere Partikel organische Reste abgestorbener Organismen. Sedimentation organischen Materials im Ozean führt in Verbindung mit dem Diageneseprozess zur Bildung von Erdöl und Erdgas. Abbildung 10: langfristiger Kohlenstoffkreislauf 15

16 4 Quellen Crowley, John Wilfrid. Carbon Cycle Dynamics For a Neoproterozoic Climate Model, 2006 Demtröder, Wolgang. Experimentalphysik3, Springer Verlag, 2005 Rahmstorf, S. Der Klimawandel, C.H.Beck, 2006 Schönwiese, Christian-Dietrich. Der Treibhauseffekt, DVA Stuttgart, 1990 Eckhard R. Lucius, Horst Bayrhuber, Kristin Hildebrandt, Karin Lochte, Rolf Peinert, Christiane Queisser, Ilka Parchmann, Kirsten Schluter und Karl-Heinz Starke. Modul 9:Der Kohlenstokreislauf, Begleittext fur Lehrkrafte, System Erde. Universitat Kiel M. R. Schoeberl, Ozone and Stratospheric Chemistry Ch. 7, plan/ch7.pdf, Traupel, Jana. Molekülphysik, jana. traupel/materie/molekueleonline/ Molekuelphysik.pdf, Jimenez, Jose-Luis. Photochemistry of Important Atmospheric Species, S 05 L 7.pdf,