Atmosphärenphysik. Niklaus Kämpfer Institut für angewandte Physik

Transkript

1 Atmosphärenphysik Niklaus Kämpfer Institut für angewandte Physik Frühlingssemester 2011

2

3 1 Einleitung In der Wissenschaft kommt es alle paar Jahre vor, dass etwas, das bis anhin als Fehler galt, plötzlich alle Anschauungen umkehrt oder dass ein unscheinbarer und verachteter Gedanke zum Herrscher über ein neues Gedankenreich wird, und solche Vorkommnisse sind dort nicht bloss Umstürze, sondern führen wie eine Himmelsleiter in die Höhe. Es geht in der Wissenschaft so stark und unbekümmert und herrlich zu wie in einem Märchen. (Robert Musil, Der Mann ohne Eigenschaften, Kp. 11) 1.1 Evolution der Erdatmosphäre Es wird vermutet, dass die Atmosphäre der Erde durch sekundäre Prozesse gebildet wurde; vorwiegend durch das Ausgasen des Planeten in Form von Vulkanausbrüchen. Diese Vermutung wird durch die Tatsache unterstützt, dass in der Atmosphäre die Edelgase He, Ne, Ar, Kr und Xe viel weniger stark vertreten sind als etwa in der solaren Atmosphäre. Nach der Bildung des Sonnensystems vor ca. 4.6 Milliarden Jahren aus einer kosmischen Staubwolke entwichen die leichten Edelgase aus der Uratmosphäre weil sie keine schwerflüchtigen Verbindungen mit anderen Elementen bilden konnten. Der Umstand, dass die Erdatmosphäre relativ viel Argon enthält, beruht darauf, dass es sich dabei um das Isotop 40 Ar handelt, welches durch radioaktiven Zerfall von 40 KimErdmantelim Laufe der Erdgeschichte gebildet wurde. Ähnlich wurde 4 He aus der Zerfallsreihe von Uran und Thorium über die Zeiten akkumuliert. Allerdings hat es viel weniger Helium als Argon in der heutigen Atmosphäre, weil das leichte Helium ins Weltall entwichen ist. Leichte Teilchen können die Erdatmosphäre verlassen, wenn ihre kinetische Energie höher ist als die potentielle Gravitationsenergie. Dieser Effekt tritt in der sog. Exosphäre auf. Auf der Erde haben nur Wasserstoff und Helium genügend geringes Atomgewicht und genügend hohe kinetische Energie, für genügend hohe Temperaturen, um das Gravitationsfeld der Erde zu verlassen. Nimmt man an, dass sich die älteste Erdatmosphäre aus Entgasungsprodukten aus Vulkanen zusammen setzte, dann könnten die emittierten Gassorten noch heute tätiger Vulkane erste Anhaltspunkte für die Zusammensetzung dieser Uratmosphäre liefern. Die Gasemission von Vulkanen ist ein Gemisch aus ca. 85% Wasserdampf, 10% Kohlendioxid, CO 2,einigeProzentStickstoff,sowieSchwefelverbindungen. Dem gegenüber besteht die Erdatmosphäre aus ca. 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff und einigen Spurengasen (siehe Figur ). 1 Figur aus Atmospheric Chemistry and Global Change, edited by G.Brasseur, J.Orlando and G.Tyndall, Oxford University Press,

4 1 Einleitung Abbildung 1.1: Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre mit zugehöriger Höhenverteilung des Mischungsverhältnisses. 2

5 1.1 Evolution der Erdatmosphäre Es stellt sich somit die Frage, wie die heutige Zusammensetzung zustande kam und insbesondere, woher der Sauerstoff in der Atmosphäre stammt und was mit dem Wasserdampf aus den Vulkanemissionen geschehen ist. Das Schicksal der emittierten Gase hängt wesentlich von den thermischen Bedingungen auf der Oberfläche der Planeten ab. Eine grobe Abschätzung der effektiven Oberflächentemperatur T e eines Planeten lässt sich durchführen, indem die absorbierte Strahlung von der Sonne im thermischen Gleichgewicht gleich der emittierten Infrarotstrahlung des Planeten gesetzt wird: 4πR 2 σt 4 e = πr 2 (1 A)S c /a 2 (1.1) Dabei ist R der Radius des Planeten, a der Abstand von der Sonne (a =1für die Erde), σ = W/m 2 K 4 die Stefan Boltzmann Konstante, S c ist der solare Flux in der Nähe der Erde und A ist die Albedo, d.h. das Verhältnis aus reflektierter zu absorbierter Energie über den Planeten gemittelt. Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert aber Infrarotstrahlung, was zu einem Treibhauseffekt führt. Dadurch wird die Oberflächentemperatur angehoben. Wie wir später im Kapitel 4 über Strahlung sehen werden, kann die Atmosphäre nicht beliebig viel Wasserdampf aufnehmen. Es tritt Sättigung ein, mit Bildung von Wolken, gefolgt von Ausregnen und der Bildung von Meeren, je nach den vorliegenden Temperaturen. Abbildung 1.2: Oberflächentemperatur von Venus, Erde und Mars als Funktion des Wasserdampfdruckes. Darüber gedruckt ist ein Phasendiagramm für Wasser. Eine Erhöhung der Wasserdampfmenge führt wegen dem Treibhauseffekt zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur. Wie Figur zeigt, kann auf dem Mars wegen der geringen Temperatur kein flüssiges 2 Figur aus Chemistry of the Natural Atmosphere, Peter Warneck, International Geophysics Series, 3

6 1 Einleitung Wasser vorkommen, auf der Erde, die einen idealen Abstand von der Sonne hat, jedoch sehr wohl. Auf der Venus sind die Temperaturen zu hoch, um Ozeane zu bilden. Der grösste Teil des Wasserdampfes hat sich somit auf der Erde in Form von Ozeanen niedergeschlagen. Die Summe der gesamten Wassermenge der Erde nennt man Hydrosphäre. Wenn man annimmt, dass sich die inneren Planeten Mars, Erde und Venus aus etwa demselben Material gebildet haben, kann auch angenommen werden, dass ihre ursprünglichen Atmosphären ähnlich waren. Tatsächlich ist aus Figur ersichtlich, dass sich die Atmosphären von Mars und Venus hauptsächlich aus CO 2 zusammensetzen, nicht aber diejenige der Erde. Abbildung 1.3: Vergleich wichtiger Parameter von Venus, Erde und Mars. Nahezu das gesamte im Laufe des Ausgasens frei gesetzte CO 2 wurde durch chemische Prozesse im Ozean in Calcium- und Magnesiumcarbonat umgewandelt und in Form von Sedimenten abgelagert. Auf der Venus war das nicht der Fall und alles entgaste CO 2 konnte sich in der Atmosphäre anreichern und eine CO 2 -Atmosphäre von fast 90 bar Gesamtdruck aufbauen. Zusätzlich führt natürlich die enorme Menge an CO 2 zu einem extremen Treibhauseffekt auf der Venus. Würde man allen in den irdischen Sedimenten gespeicherten Kohlenstoff in Form von CO 2 an die Atmosphäre zurückgeben, so würden sich auch auf der Erde ähnliche unwirtliche Verhältnisse wie auf der Venus entwickeln. Der Stickstoff in der Erdatmosphäre hat sich primär durch Anreicherung aus vulkanischen Exhalationen aufgebaut. Im Gegensatz zu Stickstoff kommt Sauerstoff, O 2, in Vulkangasen nicht vor. Es muss also auf andere Weise in die Atmosphäre gekommen sein. Die naheliegenden photochemischen Reaktionen sind die Photodissoziation von Wasserdampf und Kohlendioxid durch UV-Strahlung: Vol. 41, Academic Press Press, Figur aus Chemie der Atmosphäre, T.E.Graedel und Paul Crutzen, Spektrum Verlag,

7 1.1 Evolution der Erdatmosphäre I) 2CO 2 + UV 2CO+O 2 (1.2) II) 2H 2 O + UV 2H 2 +O 2 (1.3) Es zeigt sich, dass durch diese Reaktionen nur ein geringer Teil des Sauerstoffs in der Atmosphäre entstanden sein kann. Bei Reaktion I) entsteht gleichzeitig das schwere CO- Molekül. Es müsste also etwa in derselben Grössenordnung wie Sauerstoff vorkommen, was aber nicht der Fall ist. Bei Reaktion II) entsteht auch das leichte Wasserstoffmolekül, das durchaus das Schwerefeld der Erde verlassen könnte. Weder Reaktion I) noch Reaktion II) sind aber für den Sauerstoff verantwortlich. Ein Aufbau von Sauerstoff durch diese Reaktionen würde bald zum Erliegen kommen, weil der dadurch gebildete Sauerstoff UV-Licht absorbieren würde und dadurch den Prozess abstellen könnte. Nach Urey liegt das Gleichgewicht dieses selbst limitierenden Prozesses bei ca. einem Tausendstel des heutigen Sauerstoffniveaus, dem sog. Urey-Pegel. Es wird heute vermutet, dass praktisch aller Sauerstoff, der im Laufe der Erdgeschichte freigesetzt wurde, ein Nebenprodukt der Photosynthese von irdischer Biomasse ist. Die Photosynthese kann durch die folgende Reaktion beschrieben werden: nco 2 +nh 2 O {CH 2 O} n +no 2 (1.4) Pro Mol C, das fixiert wird, wird ein Mol Sauerstoff frei. Der freie Sauerstoff in der Atmosphäre ist demnach eine Folge des Lebens auf der Erde und dieses wiederum verdankt seine Entstehung dem Umstand, dass auf der Erde flüssiges Wasser existiert. Wasser bot das Medium in dem sich die ersten Organismen bilden konnten. Solange die Atmosphäre praktisch keinen Sauerstoff enthielt, konnte harte UV-Strahlung, welche die wichtigsten Bestandteile für lebende Substanzen zerstört, ungehindert bis zur Erdoberfläche dringen. Die ersten Organismen entwickelten sich deshalb unterhalb der Wasseroberfläche, um vor dieser schädlichen Strahlung geschützt zu sein. Die Ansammlung von O 2 produzierte allmählich das für den Strahlungshaushalt wichtige Gas Ozon, O 3, durch Absorption von Sonnenstrahlung gefolgt von O 2 + UV O+O (1.5) O 2 +O+M O 3 +M (1.6) Mit zunehmenden Mengen an atmosphärischen O 2 und O 3 wurde die Erdoberfläche vor der tödlichen UV-Strahlung geschützt. Diese Abschirmung erlaubte mit der Zeit eine verstärkte biologische Entwicklung an Land (siehe Figur ). 4 Figur aus Chemie der Atmosphäre, T.E.Graedel und Paul Crutzen, Spektrum Verlag,

8 1 Einleitung Abbildung 1.4: Rekonstruktion der Entwicklung von Sauerstoff und Ozon in der Erdatmosphäre. 1.2 Mögliche Störungen Es fragt sich, wie stabil das in Jahrmillionen aufgebaute Gleichgewicht der Erdatmosphäre ist und welche Auswirkungen Störungen dieses Gleichgewichts auf das Klima haben können? Die Atmosphäre ist Teil des gesamten Klimasystems, bestehend aus den Teilsystemen Atmosphäre, Hydrosphäre, Cryosphäre, Lithosphäre und Biosphäre (vgl ). Die Hydrosphäre besteht aus Wasser in der flüssigen Phase. Dazu gehören die Meere, Seen, Flüsse und unterirdischen Frischwasservorkommen. Die Cryosphäre besteht aus Wasser in der festen Form und beinhaltet die Eisschilde der Antarktis und von Grönland, die Gletscher, schneebedeckte Flächen und das Packeis. Die Cryosphäre hat beispielsweise einen Einfluss auf die Albedo der Erde oder die thermohaline Zirkulation der Ozeane. Die Lithosphäre beinhaltet die Kontinente, welche mit ihrer Topografie atmosphärische Zirkulation beeinflussen können und den Grund der Ozeane. Die Lithosphäre hat von allen Teilen des Klimasystems die längste Reaktionszeit. Die Biosphäre besteht aus der Vegetation, der kontinentalen Fauna und der Fauna und Flora der Ozeane. Die verschiedenen Teilsysteme sind untereinander stark gekoppelt. Die Atmosphäre nimmt dabei eine zentrale Stellung ein, weil die Reaktionszeit auf eine angelegte Störung viel kürzer als für jedes andere System ist. Die gegenwärtige Zusammensetzung der Atmosphäre muss als ein dynamisches Gleich- 5 Figur aus Physics of Climate, J.Peixoto and A.Oort, American Institute of Physics, New York,

9 1.2 Mögliche Störungen Abbildung 1.5: Schema des Klimasystems und den zugehörigen Subsystemen. gewicht verstanden werden, bei dem Quellen und Senken der einzelnen atmosphärischen Bestandteile einander kompensieren. Menschliche Aktivitäten können dieses Gleichgewicht jedoch direkt oder indirekt stören. Figur vermittelt eine Übersicht über mögliche Störungen des Klimasystems. 6 Figur aus Atmospheric Chemistry and Global Change, edited by G.Brasseur, J.Orlando and G.Tyndall, Oxford University Press,

10 1 Einleitung Abbildung 1.6: Einflüsse auf das Klimasystem. 8