2.2 Treibhausgase und Klima

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1 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 Wind Luftdruck Niederschlag Luftfeuchtigkeit Verdunstung Globalstrahlung

2 Globalstrahlung Schwankung durch Einfallswinkel und Exzentrizität der Erdbahn um die Sonne Neigung 23,5 Sommer Winter Solarkonstante E 0 = 1367 W/m 2 langjährig gemittelte Bestrahlungsstärke der Sonne auf eine Fläche von 1 m 2, senkrecht zur Einstrahlung und unter Vernachlässigung der Atmosphäre Mitteleuropa: Sommermittag bei wolkenlosem Himmel ca. 900 W/m² bedeckter Himmel und trübes Wetter ca. 100 W/m²

3 Jahressumme Deutschland zwischen 900 und 1200 kwh/m² ( 100 bis 135 W/m²) Spanien ca kwh/m² ( 230 W/m²) in der Sahara ca kwh/m² ( 285 W/m²). H = E t H Bestrahlung in J/m 2 E Bestrahlungsstärke in W/m 2 T Bestrahlungszeit in s Berechnen Sie die mittlere jährliche Globalstrahlung in Berlin-Tempelhof in MJ/m 2 und kwh/m 2, wenn die mittlere jährliche Bestrahlungsstärke (Strahlungsintensität)111,8 W/m 2 beträgt!

4 Natürlicher Treibhauseffekt Die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenstrahlung wird dort in Wärmeenergie umgewandelt. Abstrahlung als Wärmestrahlung (IR- Strahlung) von der Erde Der größte Teil dieser Wärmestrahlung wird nicht ins Weltall transportiert, sonderen von einigen Spurengasen (Treibhausgase) absorbiert und gespeichert. 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 H 2 O(g) Wasserdampf CO 2 CH 4 Kohlendioxid Methan N 2 O Lachgas O 3 Ozon

5 Natürlicher Treibhauseffekt (Bliefert, 2002) Ungehinderte Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung Treibhaus Atmosphäre Unveränderte Einstrahlung, Reflektion Wärmestrahlung steigende Oberflächentemperatur, höhere Abstrahlung neues thermisches Gleichgewicht, höhere Oberflächentemperatur

6 Natürlicher Treibhauseffekt

7 Spektrum der elektromagnetischen Strahlung λ/nm Sichtbares Licht kosmische γ-strahlen Röntgenstrahlen UV Infrarotstrahlen Mikrowellen Radiowellen lg λ/m 1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m He 1 1 p Radioaktivität C B A Wärmestrahler Mobilfunk Röntgenröhre Sonne CD Radar Rundfunk

8 Spektrale Strahlungsintensität der solaren Einstrahlung und terrestrischen Ausstrahlung Absorptionsspektren der Spurengase H 2 O, CO 2 und O 3

9 Wirkung der Treibhausgase Treibhausrelevante Spurengase sind Moleküle mit drei oder mehr Atomen, die die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) der Erde absorbieren können. Die absorbierte Energie wird in Form von Molekülschwingungen und/oder -rotationen gespeichert (Erhöhung der kinetischen Energie). Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandteile der Atmosphäre, sind zweiatomige Moleküle ohne Dipolmoment und absorbieren daher keine Infrarotstrahlung! Fundamentalschwingungen eines CO 2 -Moleküls symmetrische Streckschwingung asymmetrische Streckschwingung Knickschwingung

10 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: CO 2 Industrialisierung CH 4 Landwirtschaft, Industrie N 2 O Landwirtschaft, NO x -Minderung FCKW Kältemittel, Treibgas SF 6 Isoliergas, Schutzgas (noch kein signifikanter Einfluss, doch starker Anstieg der Konz.) CO 2 aus fossilen Energieträgern Methan aus mikrobiellen Abbau

11 CO 2 -Volumenanteil in der Luft (Bliefert, 2002) CO 2 -Volumenanteil in der Luft während der letzten a nie über 290 ppm! Primärenergieverbrauch und CO 2 -Emission (ibid.)

12 Kohlendioxidausstoß weltweit, % 16 % 27 % 27 % 20 % Kraftwerke Verkehr Industrie Handel, Einrichtungen Haushalte

13 Kohlendioxidausstoß weltweit, % 6 % 20 % 41 % Kraftwerke Verkehr Industrie Handel, Einrichtungen Haushalte 23 %

14 Berechnen Sie die Menge an CO 2, welche zur Erzeugung der gleichen Wärmemenge aus Kohle (C) und Erdgas (CH 4 ) freigesetzt wird. C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) (1) CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) (2) Die Menge an CO 2 bei gleicher Wärmemenge sinkt mit zunehmendem relativen Wasserstoffgehalt des Brennstoffs. C: 100 % C CH 4 : 75 % C, 25 % H H 2 : 100 % H

15 Anthropogene Methanquellen 4 % 5 % 11 % 11 % 19 % 26 % 24 % Energieerzeugung Wiederkäuer Reisanbau Müll Verbrennung Abfall Andere

16 Beitrag der wichtigsten Klimagase zum Treibhauseffekt (Bliefert, 2002) Gas Anteil am zus. Treibhauseffekt (in %) Erwärmungseffekt insgesamt (in K) Relatives Treibhauspotenzial 1) Relativer Anstieg pro Jahr (in %) CO ,2 1 0,4 CH ,8 21 1,0 N 2 O 5 1, ,25 O 3 (bodennah) 7 2, ,7 H 2 O 2) 20,6 FCKW CFCl CF 2 Cl , weitere 0,8 K in 100 a Σ ca. 33 K 1) 1 O3 -Molekül mit gleicher Treibhauswirkung wie 2000 CO 2 -Moleküle 2) wechselnde Mengen

17 Die Staaten mit dem höchsten CO 2 -Ausstoß 2007 Nr. Land Mio. t Anteil % 1 China ,8 2 USA ,9 3 Russland ,5 4 Indien ,6 5 Japan ,3 6 Deutschland 798 2,8 7 Kanada 573 2,0 8 Großbritannien 523 1,8 9 Südkorea 489 1,7 10 Iran 466 1,6 11 Mexiko 438 1,5 12 Italien 438 1,5 13 Australien 396 1,4 14 Indonesien 377 1,3 15 Frankreich 369 1,3 16 Saudi-Arabien 358 1,2 17 Brasilien 347 1,2 18 Südafrika 346 1,2 19 Spanien 345 1,2 20 Ukraine 314 1,1 Alle Länder Nr. Land t pro Kopf 1 USA 19,1 2 Australien 18,8 3 Kanada 17,4 4 Saudi-Arabien 14,8 6 Russland 11,2 7 Südkorea 10,1 8 Deutschland 9,7 9 Japan 9,7 10 Großbritannien 8,6 12 Spanien 7,7 13 Italien 7,4 14 Südafrika 7,3 15 Ukraine 6,8 16 Iran 6,6 17 Frankreich 5,8 18 China 4,6 19 Mexiko 4,1 20 Brasilien 1,8 21 Indonesien 1,7 22 Indien 1,2 Im Mittel 4,4 2011

18 CO 2 -Reduktion durch Tempolimit Gesamtlänge der Autobahnen in Deutschland ca km 53 % ohne Tempolimit etwa 1/3 aller PKW-Kilometer entfallen auf Autobahnen Großer Diesel-PkW: 120 km/h 200 g CO 2 /km 145 km/h > 300 g CO 2 /km Zusätzliche CO 2 -Emission durch ständiges Abbremsen und Beschleunigen CO 2 -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 CO 2 / km 2020: 95 g CO 2 / km

19 Bei Kraftfahrzeugen wird heute der durchschnittliche CO 2 -Ausstoß in g/km angegeben. a) Welcher CO 2 -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 (C 8 H 18 ) mit der Dichte ρ = 0,70 kg/l entsprechen! Formulieren Sie zunächst die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von n-octan zu CO 2 und H 2 O! b) Wie viel L Benzin (n-octan) dürfte ein Kraftfahrzeug maximal verbrauchen, damit das von der EU angestrebte Ziel für den CO 2 -Ausstoß von 120 g/km erreicht wird? 114,23 g 352,08 g a) n-c 8 H ,5 O 2 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O (l) 8,8 L x 0,7 kg/l 1 m(co 2 ) = 6,16 kg

20 114,23 g 352,08 g b) n-c 8 H ,5 O 2 8 CO 2 (g) + 9 H 2 O (l) m(n-c 8 H 18 ) 12 kg

21 Rückkopplungsmechanismen Treibhauseffekt und Aerosole kleinste feste oder flüssige Schwebeteilchen in der Luft (z. B. Nitrate, Sulfate, H 2 SO 4, SO 3,...) Bildung aus Luftschadstoffen (z. B. SO 2, NO x 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 CO 2 - Ausstoß, dann würde es sogar noch sehr viel schneller warm werden auf der Erde.

22 Treibhauseffekt und Wasserdampfgehalt Beitrag von Wasserdampf (aus Wasserkreislauf und Vulkanismus) zum natürlichen Treibhauseffekt etwa 60 % Hauptursache des zusätzlichen Treibhauseffektes Anstieg der Konzentration der Treibhausgase CO 2 und CH 4 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 vermehrte Wolkenbildung und Reflektion von einfallendem Sonnenlicht c) Kompensation/Überlagerung beider Effekte (Gegenstand intensiver Forschung)

23 Treibhauseffekt und Methanhydrat Chemie CH 4 5,75 H 2 O (hoch verdichtete Form) Elementarzelle: 46 H 2 O + 8 CH 4 unter Normalbedingungen gilt: 1 L Gashydrat = 164 L CH 4 + 0,8 L H 2 O 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

24 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 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

25 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?