Chemie (Aerosol) Klima Wechselwirkungen. Gute Luft Schlechtes Klima

Transkript

1 Chemie (Aerosol) Klima Wechselwirkungen Gute Luft Schlechtes Klima Holger Tost Institut für Physik der Atmosphäre, JGU Mainz Slide 1

2 Unser Erdsystem Slide 2

3 Slide 3

4 Wachsender CO2 Gehalt der Atmosphäre Slide 4

5 Wachsender CO2 Gehalt der Atmosphäre Slide 5

6 Der Treibhauseffekt Slide 6

7 Ursache für den Treibhauseffekt Slide 7

8 IPCC climate forcing IPCC AR5, 2013 Slide 8

9 IPCC climate forcing die Rolle der Chemie Langlebige Treibhausgase werden hauptsächlich durch Emissionen und stratosphärische Chemie kontrolliert Kurzlebige Treibhausgase werden durch Emissionen und Troposphärische Chemie kontrolliert Aerosolpartikel werden durch Emissionen, Phasenübergänge zwischen Gas und Aerosolphase und physikalische und chemische Prozessierung kontrolliert IPCC AR5, WG I, Chap8, 2013 Slide 9

10 ESCiMo Earth System Chemistry integrated Modelling Deutsche Konsortialinitiative zur Modellierung atmosphärischer Chemie Beiträge zu CCMI (Chemistry Climate Model Intercomparison) und damit dem nächsten IPCC Bericht Slide 10

11 ESCiMo Earth System Chemistry integrated Modelling Slide 11

12 ESCiMo Earth System Chemistry integrated Modelling Jöckel et al., 2006 Slide 12

13 Methan (CH4) und seine chemischen Wechselwirkungen Slide 13

14 Methan (CH4) und seine chemischen Wechselwirkungen Slide 14

15 Methan (CH4) und seine Strahlungseinflüsse CH4 ist ein effektives Treibhausgas mit einer Effizienz des 60fachen von CO2. Slide 15

16 CH4 Quellen bzw. Oberflächenkonzentrationen Jöckel et al., 2016 Slide 16

17 CH4 in der oberen Tropopsphäre Jöckel et al., 2016 Slide 17

18 CH4 in der oberen Tropopsphäre Jöckel et al., 2016 Slide 18

19 CH4 Lebenszeit als Maß für Oxidationskapazität der Atmosphäre Je höher die MethanLebensdauer, desto weniger OH ist in der Atmosphäre: 1) CH4 bleibt länger in der Atmosphäre stärkerer Treibhauseffekt 2) Luftschadstoffe bleiben länger in der Atmosphäre schlechtere Luftqualität. Jöckel et al., 2016 Slide 19

20 OH das Waschmittel der Atmosphäre 106 cm-3 Slide 20

21 Erhöhtes OH durch NOx ppt Slide 21

22 Erhöhtes OH durch NOx Industrie ppt Schiffsroute Biomasseverbrennung Slide 22

23 NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog Slide 23

24 NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog Slide 24

25 NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog Erhöhtes NOx Ozonbildung (Treibhausgas) erhöhtes OH reduzierte CH4 Lebensdauer weniger CH4 (Treibhausgas) Aber: O3 und NOx sind Luftschadstoffe Photosmog Partikelbildung (SOA) Feinstaubbelastung Slide 25

26 Effekte von Aerosolpartikeln Asche Pollen Salze Ruß Slide 26

27 Aerosol Phasen Partitionierung Wenn Aerosolpartikel existieren, werden einige semivolatile bzw. lösliche Komponenten ganz oder teilweise in die Partikel aufgenommen. Veränderung der Zusammensetzung der Luft (Gasphase) Hygroskopische Materialien ziehen zusätzlich Wasser an. Partikel wachsen. Austausch hängt von Partikelvolumen, Oberfläche ph-wert, etc. ab. Slide 27

28 Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH4 Lebenszeit Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel Jöckel et al., 2016 Slide 28

29 Aerosol-Strahlungs und AerosolWolken Wechselwirkungen from Slide 29

30 Aerosol-Strahlungs und AerosolWolken Wechselwirkungen Tost, 2017 Slide 30

31 Aerosol-Strahlungs und AerosolWolken Wechselwirkungen from Slide 31

32 Aerosol-Strahlungs und AerosolWolken Wechselwirkungen Tost, 2017 Slide 32

33 Aerosol-Strahlungs und AerosolWolken Wechselwirkungen Slide 33

34 Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH4 Lebenszeit Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel Aerosol-Wolken und AerosolStrahlungswechsel-wirkungen verändern ebenso die Zusammensetzung der Luft Jöckel et al., 2016 Slide 34

35 Druckhöhe (hpa) Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH4 Lebenszeit Tost et al., 2015 Slide 35

36 NO3- Aerosole an der Erdoberfläche µg/m3 Pringle et al., 2010 Slide 36

37 SO42- Aerosole an der Erdoberfläche µg/m3 Pringle et al., 2010 Slide 37

38 Viele Aerosolpartikel starke Kühlung µg/m3 Pringle et al., 2010 Slide 38

39 Viele Aerosolpartikel starke Luftverschmutzung µg/m3 from: Pringle et al., 2010 Dec 2016 Slide 39

40 Hohe Luftverschmutzung Gesundheitsbelastung Lelieveld et al., 2015 Slide 40

41 Aerosol -Komponenten Wechselwirkungen Erhöhte SO2 Emissionen, z.b. aus Vulkanen beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe. Tost et al., 2015 Slide 41

42 Aerosol - Komponenten Wechselwirkungen Erhöhte SO2 Emissionen, z.b. aus Vulkanen beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe und diese haben auch große Klimawirksamkeit. auf 185 hpa Brühl et al., 2015 Tost et al., 2015 Slide 42

43 Natürliche Aerosol Chemie Klimawechselwirkung Aerosol Nitrat Bildung aus Blitzen Slide 43

44 NOx Produktion durch Blitze Gemeinsames Auftreten von hohen NOx Werten ohne Luftverschmutzung (SCIAMACHI) und Blitzen (WWLLN) Beirle et al., ACP, 2010 Slide 44

45 Von LNOx zu Aerosolpartikeln Tost, 2017 Slide 45

46 Simulierte Blitze und ihre Emissionen Gute Übereinstimmung der simulierten Blitzverteilung mit LIS/OTD Daten (Tost et al., ACP, 2007) Simulierter Jahresmittelwert der Blitzfrequenz [#/(m2s)] Slide 46

47 Gesamtemission: 6 Tg N/yr Simulierte LNOx Emissionen und Aerosolnitrat Isosurfaces von 1 bzw. 3*10-16kg/(m3s) (Emissionen) bzw. 0.1 ppbv (Nitrat) Slide 47

48 Einfluss von LNOx Emissionen auf Aerosolnitrat Simulierte relative Änderung in Aerosolnitrat und Nitrat-Säulendichte in der UT Isosurfaces von 30 %, 45 %, and 60 % Erhöhung durch LNOx Emissionen Slide 48

49 Strahlungsfluss Störung aufgrund von LNOx Emissionen Regionale positive und negative absolute Unterschiede in der ausgehenden kurzwelligen Strahlung am Oberrand der Atmosphäre aufgrund der LNOx Emissionen Slide 49

50 Unsicherheitsbetrachtung in der Strahlungsfluss Störung aufgrund von LNOx Emissionen Heutige (links) und vorindustrielle (rechts) Bedingungen: -105 mw/m2-146 mw/m2 Wie oben, aber mit alternativem Wolkenaktivierungsschema: -64 mw/m2 Räumliche Variabilität Zeitliche Variabilität -60 mw/m2 Abgeschätzte Gesamtunsicherheit: 50 mw/m2 Slide 50

51 Take Home Messages Neben CO2 ist Methan ein bedeutsames Treibhausgas. Viele Arten von Aerosolpartikeln tragen zu einer Abkühlung der bodennahen Atmosphäre bei. Luftverschmutzung hat oft positive Auswirkungen auf die globale bodennahe Erwärmung. Luftverschmutzung durch Gase und Aerosole hat aber starkes Gesundheitsgefährdungspotential. Es existiert eine Vielzahl von Chemie-(Aerosol)-KlimaWechselwirkungen. Slide 51