Inoffizielle Lösungen der Atmosphäre Vordips Alle Angaben ohne Gewähr

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1 Herbst Luft ist wärmer als Umgebung geworden und steigt dabei auf. Dabei kühlt es sich um ca. 1 C pro 100m Höhe ab. Wenn die Luft noch Feuchtigkeit enthielt, kann sie ab einer gewissen Höhe die Feuchtigkeit nicht mehr behalten und muss sie ausregnen um weiter steigen zu können. Auf die Weise kommt die Luft über den Berg und beginnt auf der anderen Seite wieder abzusinken und sich zu erwärmen. Man hat also eine typische Südfön-Lage. 2. a) Corioliskraft und Druckkraft. Wenn sich die beiden aufheben, bläst der geostrophische Wind parallel zu den Isobaren. b) In der Troposphäre in Bodennähe. c) Zentrifugalkraft, Reibungskraft d) Geostrophischer Wind mit Reibung: Wind erfährt Ablenkung über Boden Gradientenwind: Auf Wind wirkt zusätzlich die Zentrifugalkraft e) Südhalbkugel. Also dreht das Hoch nach links und das Tief nach rechts. Gradientenwind > Geostrophischer Wind um das Hochdruckgebiet, Geostrophische Wind > Gradientenwind um Tiefdruckgebiet. Beim Gradientenwind erfolgt Druckausgleich zwischen Hoch und Tief. Je grösser die Druckdifferenz (enger die Isobaren beieinander) desto stärker der Wind. Er erfährt ablenkung durch Zentrifugal und Reibungskraft. Kein Druckausgleich bei Geostrophischem Wind, er bläst parallel zu den Isobaren. Cl + O ClO + O Cl + O ClO + O 3. a) ClO + ClO Cl2O2 Cl2O2 + hv Cl2 + O2 Netto :2O3 + hv 3O2 b) In dieser Reaktionskette wird das Chlorradikal wieder gebildet und kann weitere Ozonmoleküle zerstören. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient in der Zerstörung. c) Je wärmer es ist (mehr Sonneneinstrahlung, stärkere thermische Bewegung) desto grösser die Wahrscheinlichkeit durch Stoss mit einem anderen Molekül neue Chlorradikale zu bilden, die das Ozon zerstören können.??? d) Je kälter es ist (weniger Sonneneinstrahlung) desto weniger werden die Lieferanten für Chlorradikale (FCKWs) durch UV-Strahlung in der Stratosphäre aus der Atmosphäre entfernt. D.h. desto mehr Chlor hat es das Ozon zerstören kann.??? e) Sehr stabiles Tiefdruckgebiet über dem Südpol im Winter. Wegen tiefen damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden. Frühjahr a) Sommer (oder ein warmer Frühlings, bzw. Herbsttag), da die Temperatur auf Boden 22 C beträgt. b) Um eine Tagsondierung. Denn die Bodentemperatur beträgt 22 C. Ich würde erwarten, dass es in der Nacht um 1h kälter ist, auch im Sommer Ana Sesartic 1

2 c) Die Luft kühlt sich beim Aufstieg um 1 C pro 100m ab. Auf ca. 1.8km Höhe, wo sich die Luft auf 10 C abgekühlt hat, ist sie gleich warm wie die Umgebungsluft und steigt nicht mehr auf. d) Um weiter nach oben zu kommen, muss das Luftpaket ausregnen. Bei 4.1km Höhe hat es die gleiche Temperatur wie die Umgebungsluft und kommt zum Stillstand. e) Untergrenze bei 1km, Obergrenze bei 4.1km. 2. a) Luft kann nur genügend Feuchtigkeit aufnehmen, wenn sie warm ist. Warme Luft ist aber leichter als trockene. b) Wenn ein mit Wasserdampf gesättigtes Luftpaket aufsteigt würde es sich abkühlen und seine relative Luftfeuchtigkeit auf theoretisch mehr als 100% steigen. Da dies nicht möglich ist, wird ein Teil des Wasserdampfes kondensieren und kondensationswärme an das Luftpaket abgeben. Das Luftpaket kühlt sich daher nicht so stark ab, wie wenn keine Kondensation stattgefunden hätte. Der feuchtadiabatische Temperaturgradient wird deshalb immer kleiner sein als der trockenadiabatische Temperaturgradient. 3. Quasistationäres Hoch: Das Azorenhoch ist ein Subtropenhoch das durch globale Zirkulation verursacht wird (also durch absteigende Luft der tropischen Hadley-Zellen). Thermisches Hoch (z.b. Sibirienhoch): Grosse Landmasse, die im Winter stark abkühlt, Luft wird dadurch sehr kalt und dicht, erzeugt Kältehoch (Überdruck am Boden, wegen dichter kalter Luft). 4. a) Freigesetztes Chlor aus ClONO 2 b) Sehr stabiles Tiefdruckgebiet über dem Südpol im Winter. Wegen tiefen damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden.??? c) Cl + O3 ClO + O2 Cl + O3 ClO + O2 ClO + ClO Cl2O2 Cl2O2 + hv Cl2 + O2 Netto :2O + hv 3O In dieser Reaktionskette wird das Chlorradikal wieder gebildet und kann weitere Ozonmoleküle zerstören. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient in der Zerstörung. d) Im Südwinter (April September) transportieren die stratosphärischen Westwinde das Ozon aus der tropischen Quellregion nach Süden. Im Nordwinter ist es umgekehrt.??? e) Angst vor finanziellen Verlusten, da FCKW eine industriell weit benötigte Stoffgruppe war und (damals) keine billigen Alternativen zur Verfügung standen. f) Montreal-Protokoll Herbst Das Infrarote Fenster ist der Bereich der maximalen Wärmeausstrahlung der Erde. Treibhausgase habe die Fähigkeit IR auch in diesem Bereich zu absorbieren und können deshalb grosse Erwärmungseffekte ausüben Ana Sesartic 2

3 2. b) Nordhalbkugel. Hoch dreht nach rechts und das Tief nach links. Gradientenw. > Geostrophw. ums Hoch, Geostrophw. > Gradientenw. ums Tief. Beim Gradientenwind erfolgt Druckausgleich zwischen Hoch und Tief. Je grösser die Druckdifferenz desto stärker der Wind. Kein Druckausgleich bei Geostrophischem Wind, er bläst parallel zu den Isobaren. 3. Troposphäre: Enthält fast gesamten Wasserdampf. Wetterschicht mit ausgeprägter Durchmischung. 80% der gesamten Atmosphärenmasse. Auf ca. 0-11km Höhe. Stratosphäre: Nicht durchmischt und sehr trocken. Ozonschicht die UV- Strahlung absorbiert (Temperaturanstieg!). Auf ca km Höhe 4. a) (CH 3 ) 2 S b) OH (also Wasser) ist das Oxidationsmittel. Nach erster Oxidation erhält man SO 3 nach der zweiten H 2 SO 4. Zwischenprodukt ist H 2 S??? c) Erhöhter Schwefeleintrag in die Atmosphäre hat stärkere Bildung von Schwefelsäure als Folge. Schwefelsäuretröpfchen wirken als Keime für Wolkenbildung. Dadurch werden mehr Wolken gebildet und die Albedo der Atmosphäre erhöht sich. Dadurch wird mehr Sonnenwärme direkt von den Wolken zurückgestrahlt und erreicht nicht den Boden. Somit sinkt die bodennahe Temperatur. d) Hauptproduzenten von DMS sind ozeanische Mikroorganismen. Je wärmer es ist desto höher ist die biologische Aktivität und desto mehr DMS wird vom Phytoplankton produziert. Je mehr DMS es hat desto mehr Schwefelsäure wird gebildet das als Kondensationskeim für mehr Wolken dient. Je mehr Wolken es hat desto höher wird die Albedo der Atmosphäre, die Sonnenenergie wird zurückgestrahlt und die bodennahen Temperaturen sinken. e) Negative Rückkopplung: die erhöhte Temperatur setzt einen Prozess in Gang der zum absenken der Temperatur führt. f) Es hängt u.a. damit zusammen. Denn in anthropogen belasteter Atmosphäre (Industrie liefert 45% des Schwefels in Atmosphäre) hat es zu viele Kondensationskeime. Die gleiche Menge Wasser muss sich also auf viel mehr Tröpfchen vertielen. Die Tröpfchen sind dadurch zu klein um herunterzufallen. Deshalb regnet es weniger. Frühjahr a) Keine Strahlung wird reflektiert und alle aufgenommene Strahlung wird wieder abgestrahlt. Jeder schwarze Körper sendet eine nur von seiner Temperatur abhängige charakteristische elektromagnetische Strahlung aus. b) Gibt sowas ähnliches wie eine Gauskurve (Abb. 5.2, Skript S.50) c) Wien'sches Verschiebungsgesetz: Zusammenhang zw. Temperatur und Wellenlänge des Strahlungsmaximums. Stefan-Boltzmann'sches Gesetz: Gesamte Strahlungsenergie eines schwarzen Körpers über alle Wellenlängen pro m 2 und Sekunde ist zur vierten Potenz der Temperatur proportional. 2. Je wärmer die Luft, desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen, desto kleiner wird der feuchtadiabatische Temperaturgradient. Je nach Lufttemperatur bewegt er sich also zwischen 0.4 C und 0.9 C pro 100m. Wenn ein mit Wasserdampf gesättigtes Luftpaket aufsteigt würde es sich abkühlen und seine relative Luftfeuchtigkeit auf theoretisch mehr als 100% steigen. Da dies nicht möglich ist, wird ein Teil des Wasserdampfes kondensieren und kondensationswärme an das Luftpaket abgeben. Das 2004 Ana Sesartic 3

4 Luftpaket kühlt sich daher nicht so stark ab, wie wenn keine Kondensation stattgefunden hätte. Der feuchtadiabatische Temperaturgradient wird deshalb immer kleiner sein als der trockenadiabatische Temperaturgradient. 3. a) Ozon wird von Radikalen der Form YO x abgebaut, z.b. ClO x. In der Stratosphäre ist die solare Strahlung intensiv genug um z.b. FCKWs zu zerlegen und dadurch Chlorradikale zu bilden. Diese wirken beim Abbau von Ozon als Katalysatoren. b) Die Chlorradikale können mit Stickstoffradikalen zu Chlornitrat reagieren und so ihre Gefährlichkeit für Ozon einbüssen. c) Wegen tiefen Temperaturen im antarktischen Winter kann Salpetersäure gefrieren und entfernt damit Stickoxid aus der Gasphase. an Eis ClONO2 + HCl HNO3( gefriert ) + Cl2( Gas) d) Sehr stabiles Tiefdruckgebiet über dem Südpol im Winter. Wegen tiefen damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden.??? e) Im Südwinter (April September) transportieren die stratosphärischen Westwinde das Ozon aus der tropischen Quellregion nach Süden. Im Nordwinter ist es umgekehrt.??? f) Chlorradikal wird wieder gebildet und kann weitere Ozonmoleküle zerstören. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient in der Zerstörung. Herbst a) Geostrophischer Wind: p 1 < p 2 Gradientenwind: p 1 < p 2 Geostrophischer Wind mit Reibung: p 1 < p 2 b) Geostrophischer Wind: Druckkraft = Corioliskraft Gradientenwind: Druckkraft + Zentrifugalkraft = Corioliskraft Geostroph. Wind mit Reibung: Druckkraft + Reibungskraft = Corioliskraft c) Skizze d) Geostrophischer Wind: Ab ca. 5km Höhe Gradientenwind: In tropischen Zyklonen, d.h. dort wo Isobaren stark gekrümmt sind, also in der Nähe von Hoch- und Tiefdruckzentren. Geostrophischer Wind mit Reibung: Bodennähe 2. Der Sättigungsdampfdruck über Eis ist kleiner als über Wasser. Darum werden die Eiskristalle auf Kosten der Wassertröpfchen wachsen. Und irgendwann werden nur noch Eiskristalle in der Box sein. Bergeron- Findeisen Prozess 3. a) Ozon wird von Radikalen der Form YO x abgebaut, z.b. ClO x. In der Stratosphäre ist die solare Strahlung intensiv genug um z.b. FCKWs zu zerlegen und dadurch Chlorradikale zu bilden. Diese wirken beim Abbau von Ozon als Katalysatoren. b) Die Chlorradikale können mit Stickstoffradikalen zu Chlornitrat reagieren und so ihre Gefährlichkeit für Ozon einbüssen. c) Wegen tiefen Temperaturen im antarktischen Winter kann Salpetersäure gefrieren und entfernt damit Stickoxid aus der Gasphase. an Eis ClONO + HCl HNO + Cl 2 3( gefriert ) 2( Gas) 2004 Ana Sesartic 4

5 d) Sehr stabiles Tiefdruckgebiet über dem Südpol im Winter. Wegen tiefen damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden.??? e) Im Südwinter (April September) transportieren die stratosphärischen Westwinde das Ozon aus der tropischen Quellregion nach Süden. Im Nordwinter ist es umgekehrt. Im Winter hat ist es genug kalt um Salpetersäure gefrieren zu lassen. Sobald dann Anfangs Süd-Frühling (i.e. Oktober) etwas Sonne kommt startet der Ozonabbau.??? f) Chlorradikal wird wieder gebildet und kann weitere Ozonmoleküle zerstören. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient in der Zerstörung. Frühjahr a) Norden: A B D C, Süden: F G H E b) 2000m.ü.M. Denn in St.Moritz war es am Tag 2 C. c) Skizze 2. a) Siehe Abbildung 5.2 Skript S. 50. Sieht etwa wie eine linksschiefe Gauskurve aus. b) Harte kurzwellige Strahlung < 1nm, Ultraviolett1-400nm, Sichtbares Licht nm, Infrarot 750nm-1000µm c) Strahlungsmaximum der Sonne bei 500nm Wellenlänge d) Oberflächentemperatur von 5780K. (Wien'sches Verschiebungsgesetz) e) Siehe Abbildung 5.3 Skript S. 51. Sieht etwa wie eine viel kleinere, zerfetzte linksschiefe Gauskurve aus. Wasserdampf, Ozon und Kohlendioxid absorbieren einen Teil der Sonnenstrahlung. 3. a) Durch Aufwinde gelangen FCKWS innert wenigen Jahren von ihrem Entstehungsort in die Stratosphäre. Besonders schnell gelangen sie nach oben beim "shooting over the top" der Gewitterwolkenbildung. b) Chlornitrat kann mit Salzsäure an Eiskristallen reagieren und Salpetersäure sowie ozongefährdendes molekulares Chlor bilden. c) Vulkane setzen ein wenig HCl frei, aber nie genug um ein derartiges Ozonloch zu verursachen. Die Hauptemission der Vulkanwolken ist Asche und CO 2 d) Was haben die Flugzeuge damit zu tun?!? e) Über der Antarktis herrscht ein sehr stabiles Tiefdruckgebiet im Winter. Wegen tiefen Temperaturen im antarktischen Winter kann Salpetersäure gefrieren, entfernt damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden. Herbst Der Sandsturm hat die Staubpartikel bis in die oberen Schichten der Troposphäre verfrachtet wo sie vom Subtropischen Jet Stream erfasst wurden und Richtung Pazifik transportiert wurden. Dann gerieten die Staubpartikel in die Nähe des Subtropenhochs über dem Pazifik, eine Region mit absteigenden Luftmassen. Somit begannen sie abzusinken und sich im antizyklonalem Wind um das Hoch nach Rechts zu drehen Ana Sesartic 5

6 2. Stabile Schicht Feuchtadiabate Trockenadiabate Druck in mb Höhe in km ü.m. Temperatur c) Je wärmer die Luft, desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen, desto kleiner wird der feuchtadiabatische Temperaturgradient. Je nach Lufttemperatur bewegt er sich also zwischen 0.4 C und 0.9 C pro 100m. Wenn ein mit Wasserdampf gesättigtes Luftpaket aufsteigt würde es sich abkühlen und seine relative Luftfeuchtigkeit auf theoretisch mehr als 100% steigen. Da dies nicht möglich ist, wird ein Teil des Wasserdampfes kondensieren und kondensationswärme an das Luftpaket abgeben. Das Luftpaket kühlt sich daher nicht so stark ab, wie wenn keine Kondensation stattgefunden hätte. Der feuchtadiabatische Temperaturgradient wird deshalb immer kleiner sein als der trockenadiabatische Temperaturgradient Ana Sesartic 6

7 In der Zeichnung sind die Feuchtadiabaten in bodennähe steiler als in der Nähe der Tropopause, weil di ewarme Luft am Boden mehr Feuchtigkeit enthält die beim kondensieren mehr Kondensationswärme an das Luftpaket abgibt. Die Trockenadiabaten sind keine Geraden, da die km-achsen nicht linear ist. d) Trockenadiabate: 0.98 C/100m Feuchtadiabate: C/100m e) Wenn der Temperaturgradient kleiner ist als der trockenadiabatische Temperaturgradient, kehrt das Luftpaket immer wieder in seine Ausgangslage zurück. Die Atmosphäre ist dann stabil geschichtet. 3.a) Cl + O ClO + O Cl + O ClO + O ClO + ClO Cl O 2 2 Cl O + hv Cl + O Netto :2O + hv 3O b) Katalytisch: Chloratome und Chlormonoxidmoleküle wirken beim Abbau von Ozon als Katalysatoren. Kreislauf: Die Reaktionen in a) bilden eine Reaktionskette in der das Chlorradikal wieder gebildet wird und weitere Ozonmoleküle zerstören kann. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient und schnell in der Zerstörung. c) Je wärmer es ist (mehr Sonneneinstrahlung, stärkere thermische Bewegung) desto grösser die Wahrscheinlichkeit durch Stoss mit einem anderen Molekül neue Chlorradikale zu bilden, die das Ozon zerstören können. Es braucht aber nicht viel Sonneneinstrahlung dazu. Je kälter es ist (weniger Sonneneinstrahlung) desto weniger werden die Lieferanten für Chlorradikale (FCKWs) durch UV-Strahlung in der Stratosphäre aus der Atmosphäre entfernt. D.h. desto mehr Chlor hat es das Ozon zerstören kann. Dieser Kälteeffekt, bei dem Salpetersäure gefrieren kann überwiegt. Also je kälter es ist, desto stärker wird Ozon zerstört. d) Die Ozonzerstörungsrate steigt auf das vierfache.??? Frühjahr a) Wasser hat eine grosse Wärmespeicherkapazität. D.h. Ozeane erwärmen sich langsam und speichern die Aufgenommene Wärmemenge lange. Um den Äquatorgürtel wärmen sich die Wassermassen auf und werden durch warme Meeresströmungen (verursacht durch Erdrotation, Wind und Salinitätsunterschiede) zu den Polen hin transportiert. Unterwegs verdunstet das warme Wasser dabei wird latente Wärme frei. b) Fühlbare Wärme: Wärme die man direkt wahrnehmen kann. Latente Wärme: In Form von Wasserdampf gespeichert. Wärme die beim Phasenübergang Gasfömig-Flüssig (also Kondensation von Wasserdampf) abgeführt werden muss ohne dass dabei eine Temperaturänderung eintritt Ana Sesartic 7

8 2. a) c)??? Strahlungsbilanz äquatorwärts wird von ca. 35 Breite an positiv. D.h. mehr Strahlung wird absorbiert als emmitiert, polwärts wird sie negativ. Wenn mehr Strahlung absorbiert werden kann, heisst dass, das mehr Wasserdampf gebildet werden kann weil sich die Wassermassen stärker aufheizen. Dieser Überschuss an Wärme zeigt sich in dem Buckel der Latente-Wärme-Grafik zw. 0 und 35. Dieser Überschuss wird in die höheren Breiten durch eine kompnesierenden Wärmetransport verfrachtet. Somit hat man dann einen Buckel in der Kurve zw. 35 und 60. T H T H H c) Da das Bild genähert den Zuständen in Meereshöhe entspricht (laut d)) habe ich Geostrophischen Wind eingezeichnet. Er bläst vom Hoch zum Tief, wird dabei durch die Corioliskraft nach rechts abgelenkt, verursacht also einen Druckausgleich zwischen Hoch und Tief. Bläst aus dem Hoch spiralförmig heraus und ins Tief hinein. 3. a) Freigesetztes Chlor aus ClONO 2 b) Sehr stabiles Tiefdruckgebiet über dem Südpol im Winter. Wegen tiefen damit Stickoxid aus der Gasphase und somit können ClO x Radikale nicht in das Reservoirgas Chlornitrat umgewandelt werden.??? c) Cl + O3 ClO + O2 Cl + O3 ClO + O2 ClO + ClO Cl2O2 Cl2O2 + hv Cl2 + O2 Netto :2O + hv 3O d) Montreal-Protokoll (FCKW Verbot) In dieser Reaktionskette wird das Chlorradikal wieder gebildet und kann weitere Ozonmoleküle zerstören. Deshalb ist es, obwohl in geringer Konzentration vorhanden, sehr effizient in der Zerstörung Ana Sesartic 8