2 Luft. 2.1 Die Lufthülle der Erde. Aufbau

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Dennis Martin
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1 2 Luft 2.1 Die Lufthülle der Erde Aufbau Atmosphäre - Gashülle eines Himmelskörpers (griech. atmos, Dunst, Dampf; lat. sphaira, Kugel, Erdkugel) Sphäre - Schicht der Erdatmosphäre, Untergliederung in verschiedene Sphären je nach Kenngröße Wichtige Kenngrößen sind Temperatur, chemische Zusammensetzung, Ionisierung, Fluchtbewegung und Magnetfeld

2 Die Atmosphäre in Zahlen Gesamte Luftmasse 5, t, 80 % in der Troposphäre Verflüssigung Höhe von 10 m 1/300 der Wassermasse der Ozeane, 1/10 6 der Erdmasse Dünne Hülle, Troposphäre und Stratosphäre (50 km) < 1% des Erdradius (6378 km) Mit zunehmender Höhe Abnahme von Luftdruck und Dichte, in 80 km Höhe (Ende Stratosphäre) nur 0,01 mbar (Oberfläche 1013 mbar!) Troposphäre nahezu gesamter Wasserdampf, max. 4 Vol.- % (Wetter, Wolken), mehr als in allen Flüssen der Erde, trockene Luft in Erdbodennähe 99,9 Vol.-% N 2, O 2 und Ar Stratosphäre, nahezu kein Wasserdampf, 90 % des gesamten Ozons (Ozonschicht), Erwärmung durch UV-Absorption Ionosphäre > 80 km Höhe, Reflektion von Kurzwellen (Funkverkehr)

3 Aufnahme Überleben Nahrung 0,5 kg/d 14 d Wasser 2 L/d 2 d Luft (O 2 ) 11,5 m 3 /d 1) < 5 min 1) 0,5 L/Atemzug 16 Atemzüge/min

4 Unterteilung der Atmosphäre nach verschiedenen Kenngrößen km Interplanetarischer Raum km Exosphäre (Vakuum) Heterosphäre Protonosphäre Magnetosphäre Obere Atmosphäre km 100 km Thermosphäre Ionosphäre 10 km 0 Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre Temperatur Homosphäre Fluchtbewegung Zusammensetzung Neutrosphäre Ionisierung Einfluss des Magnetfeldes Mittlere Atmosphäre Untere Atmosphäre

5 Ausdehnung und Charakteristik der verschiedenen Sphären Kenngröße Sphäre Ausdehnung in km Charakteristik Troposhäre C - 60 C Stratosphäre C 0 C Mesosphäre C - 90 C Thermosphäre 1) > 80 - (500) - 90 C "1100 C" Temperaturverhältnisse (Exosphäre) 1) (> 500) "1100 C 1500 C" Fluchtbeweg. Exosphäre ab ungeladene Teilchen Zusammensetzung Homosphäre gleichartige Zusammensetz. Heterosphäre > 120 Abnahme molare Masse Neutrosphäre 0-80 ungeladene Teilchen Ionisierungsgrad Ionosphäre (Max 300) UV-Ionisation der Gase Protonosphäre > % H +, 5 % He 2+, e - Magnetfeld Magnetosphäre ) ) geladene Teilchen Absorption Chemosphäre photochemische Reaktionen 1) Temperaturen beziehen sich auf Teilchengeschwindigkeiten! (sehr geringe Teilchendichte!) 2) Elektronenstrom in der Ionosphäre Polarlichter 3) innerer Ionenstrom im Magnetfeld

6 Sphären und Pausen der Lufthülle nach dem Temperaturverlauf (schematisch) Temperatur C

7 Temperatur und mittlere molare Masse der Atmosphäre (Bliefert, 2002) Pause, griech. Ende (einer Sphäre) Wendepunkt des Temperaturverlaufs (Tropopause, Stratopause, Mesopause)

8 Konsequenzen des atmosphärischen Temperaturverlaufs Gasschichtung in der Troposphäre, Temperaturabnahme (6 K/km) mechanisch nicht stabil oben liegende Gasschicht schwerer als darunter liegende! Aufstieg warmer Luft (Wasserdampfgehalt bis 4 Vol.-%), Abkühlung (Kondensation), Absinken ständiger Austausch von Luftmassen und Wärme, vertikale Konvektion schnelle Verteilung von Gasen und Schadstoffen Gasschichtung in der Stratosphäre mechanisch stabil Schichten mit höherer Temperatur und geringerer Dichte über dichteren Schichten mit geringerer Temperatur Strahlungsgleichgewicht (zwischen absorbierter und emittierter Strahlung)

9 Wichtige Funktionen der Atmosphäre Transport (Wasserdampf, gasförmige Schadstoffe, Aerosole, ) Schadstoffabbau (geringe Verweildauer) Strahlungsschutz, Meteoritenschutz (UV-Strahlung, Röntgenstrahlung) Durchlässigkeit für Vis- und IR- Strahlung (Energiequelle) Wärmeschutz (+ 15 C - 18 C) Wärmeausgleich (Tag / Nacht; Äquator / höhere Breiten) hohe Empfindlichkeit der Regelmechanismen (Vulkanausbrüche, CO 2, FCKW, )

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung 400 500 600 700 λ/nm Sichtbares Licht kosmische γ-strahlen Röntgenstrahlen UV Infrarotstrahlen Mikrowellen Radiowellen -14-13 -12-11 -10-9 -8-7 -6-5 -4-3

10 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 γ-strahlen : < 5 pm Extremes UV : 1(10) nm nm Röntgenstrahlung : pm - 1(10) nm UV-C : nm (< 200 nm ionisierend) UV-Strahlung : 1 (10) nm UV-B : nm UV-A : nm

11 Schutzschild der Erde Magnetosphäre (Erdmagnetfeld) Schutz vor Sonnenwind, H , 2 He, e - (Plasma), km/s Polarlichter, elektronische Anregung von Luftteilchen in der oberen Atmosphäre 1) grün: O, 557,7 nm, 100 km rot: O, 630 nm, 200 km rot, violett bis blau: N, N 2, 150 km (starker Sonnenwind, hohe Energie) Ionosphäre Stratosphäre Röntgenstrahlung und harte UV-Strahlung UV-C- und UV-B-Strahlung 1) Anregung durch Elektronenstrom in tieferen Schichten der Ionosphäre ( km) bei starkem Sonnnenwind

13 Einige Ionisierungsvorgänge in der oberen Atmosphäre Reaktion Ionisierungsenergie in kj/mol Wellenlänge in nm NO NO + + e NO 2 NO e O 2 O e O 3 O e H 2 O H 2 O + + e HCl HCl + + e N 2 O N 2 O + + e OH OH + + e H H + + e O O + + e CO 2 CO e CO CO + + e N N + + e H 2 H e N 2 N e He He e

14 Zusammensetzung und Eigenschaften von Luft Bestandteil Formel Volumenanteil (mittlere Zusammensetzung) Trockene Luft Normale Luft Stickstoff N 2 Hauptbe- 78,08 Vol.-% 76,6 Vol.-% Sauerstoff O 2 standteile 20,95 Vol.-% 20,5 Vol.-% Wasserdampf H 2 O 0 2 Vol.-% 3) Argon Ar Nebenbest. 0,934 Vol.-% 0,9 Vol.-% Kohlendioxid CO 2 S 0,035 % 1) 0,034 Vol.-% Neon Ne p 18,18 ppm 17 ppm Helium He u 5,24 ppm 5 ppm Methan CH 4 r 1,7-1,8 ppm 1,5 ppm Krypton Kr e 1,14 ppm 1,0 ppm Wasserstoff H 2 n 0,5 ppm 0,5 ppm Distickstoffmonoxid N 2 O g 0,3 ppm 0,3 ppm Xenon Xe a 87 ppb 87 ppb Kohlenmonoxid 2) CO s ppb ppb Ozon 2) O 3 e ppb ppb Stickstoffdioxid NO 2 (< 0,04 %) ppb ppb Schwefeldioxid SO 2 < 1-50 ppb < 1-50 ppb 1) 2004: 373 ppm 2) starke zeitliche Fluktuation 3) Annahme von 2 Vol.-% als Berechnungsgrundlage 1) 2005: 385 ppm

15 Globale Emissionen und charakteristische Gehalte von Spurengasen (Bliefert, 2002) Gas Global emittierte Menge (in 10 6 t/a) Volumenanteile (in ppm) Verhältnis Anthropogen Natürlich Verunr. Luft Reine Luft A / N V / R CO ,037 1,25 CO ,1 1, CH ,5 1,5 0,031 1,7 and. KW ,1 0, SO ,2 0,0002 1, Viele Spurengase wirken als Schadstoffe mit z. T. signifikanter Auswirkung auf die Umwelt. Sie sind natürlichen und anthropogenen Ursprungs. Ubiquitäre Stoffe - in geringen Konzentrationen überall auf der Erde vorhanden

16 Lebensdauer und Durchmischung von Spurengasen X (Bliefert, 2002) Lebensdauer Zeit, in der c(x) auf 1/e, also 36,8 % (ca. 1/3) des Ausgangswertes gesunken ist. 1-2 Monate 1-2 Jahre

17 Verteilung von FCKW in der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Höhe Stabilität steigt mit Anzahl der F-Atome Troposphäre Stratosphäre Tropopause 10a

18 Verteilung von Ozon in der Atmosphäre in Abhängigkeit von Jahreszeit und Uhrzeit Hohenpeißenberg (Oberbayern)

19 Wasserdampf der Luft und Luftfeuchtigkeit Absolute Luftfeuchtigkeit Masse an Wasserdampf, die bei der Temperatur T (abs. LF, c) in 1 m 3 Luft enthalten ist (in g/m 3 ) Sättigungskonzentration Maximale Masse an Wasserdampf, die 1 m 3 Luft (max. LF, c Sä ) bei der Temperatur T aufnehmen kann (in g/m 3 ) Relative Luftfeuchtigkeit Verhältnis zwischen absoluter Luftfeuchtigkeit und (rel. LF) Sättigungskonzentration (in %) Taupunkttemperatur ϑ Temperatur, bei der die gegenwärtige, absolute Luftfeuchtigkeit die Sättigungskonzentration wäre

20 Wasserdampfsättigung der Luft in Abhängigkeit der Temperatur T g Wasserdampf / m3 Luft Temperatur in C

21 Wasserdampfsättigung der Luft in Abhängigkeit der Temperatur T g Wasserdampf / m3 Luft c Sä c(20 C) = 10.4 g/m 3 0 ϑ Temperatur in C

22 Beispiel I relative Luftfeuchtigkeit (%) bei 20 C, c = 10,4 g/m 3 II Feuchtigkeitsgehalt der Luft (Vol.-%) bei 20 C, c = 10,4 g/m 3

23 Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärmekapazität c p 1) Zugeführte Wärmemenge, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen (J / kg K) Spezifische Wärmeleitfähigkeit λ 1) Wärmemenge, die in 1 s durch 1 m 2 eines Stoffes von 1 m Dicke strömt, wenn der Temperaturunterschied 1 K beträgt (J / s m K = W / m K) Spezifische Wärmekapazität in J / kg K Kupfer 381 Luft 1010 Wasserdampf 2010 Wasser 4180 anorg. Dämmstoffe ca Kunststoffe ca Holz, Holzwerkstoffe ) abhängig von T und p T = 1 K 1 m 1 m 2 1 m2 λ PS = 0,04 W/mK

24 Wärmeleitfähigkeit in W / m K Kupfer 399 Aluminium 237 Eisen 81 Eis (0 C) 2,2 Wasser(20 C) 0,60 Wasserdampf(100 C) 0,025 Luft 0,026 Wärmedämmstoffe 0,03-0,15 Ziegelmauerwerk 0,4-1,2 Beton 0,4-1,4 Glas 0,7-1,4

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