2.2 Atmosphäre und Treibhausgase. Aufbau und Bedeutung der Atmosphäre

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1 2.2 Atmosphäre und Treibhausgase Aufbau und Bedeutung der Atmosphäre - Atmosphäre - Gashülle eines Himmelskörpers (griech. atmos, Dunst, Dampf; lat. Sphaira, Kugel, Erdkugel) - Sphäre - Schicht der Erdatmosphäre, je nach Kenngröße Untergliederung in verschiedene Sphären - Wichtige Kenngrößen sind Temperatur, chemische Zusammensetzung, Ionisierung, Fluchtbewegung und Magnetfeld

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

3 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

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

5 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 (nahezu gesamter Wasserdampfgehalt bis 4 Vol.-%) Abkühlung (Kondensation) Absinken (Wolken, Wetter) - 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)

6 Wichtige Funktionen der Atmosphäre - Strahlungsschutz 2.2, (UV-Strahlung, Röntgenstrahlung) Meteoritenschutz Wetter - Durchlässigkeit für Vis- und IR-Strahlung (Energiequelle) - Wärmeschutz 2.2 (+ 15 C - 18 C) - Wärmeausgleich (Tag / Nacht; Äquator / höhere Breiten) - Transport (Wasserdampf, gasförmige Schadstoffe 2.3, Aerosole 2.2, ) - Schadstoffabbau 2.3 (geringe Verweildauer) - hohe Empfindlichkeit der Regelmechanismen (Vulkanausbrüche, CO 2, FCKW 2.4, ) Temperaturabsenkung

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 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

8 Spektrale Intensität der Sonnenstrahlung in doppelt-logarithmischer Auftragung 1) Emission: gesamtes Spektrum, bedeutsam ca nm Maximum: ca. 480 nm (blaugrün) 1)

9 Strahlungsabsorption der Erdatmosphäre

10 Schutzschild der Erde Verformung der Magnetosphäre Magnetosphäre (Erdmagnetfeld) - Schutz vor Sonnenwind, H +, He 2+, e - (Plasma) mit 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 Röntgenstrahlung und (Thermosph.) harte UV-Strahlung Stratosphäre UV-C- und UV-B-Strahlung 1) Anregung durch Elektronenstrom in tieferen Schichten der Ionosphäre ( km) bei starkem Sonnnenwind Polarlichter

11 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 0,040 % 2) 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 1) CO s ppb ppb Ozon 1) O 3 e ppb ppb Stickstoffdioxid NO ppb ppb Schwefeldioxid SO 2 0,04 % < 1-50 ppb < 1-50 ppb 1) Troposphäre: sekundärer Luftschadstoff mit starker zeitlicher Fluktuation 2) 2001: 0,037 % 2006: 0,038 % 2014: 0,040 % (Station Mauna Loa, Hawaii; 3) Annahme von 2 Vol.-% als Berechnungsgrundlage 1 % = ppm = ppb =

12 Luftverunreinigungen Klassische Luftschadstoffe Klimarelevante Treibhausgase Primäre Luftschadstoffe Sekundäre Luftschadstoffe

13 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

14 Wasserdampf der Luft - 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

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

16 Beispiele I relative Luftfeuchtigkeit (%) bei 20 C, c = 10,4 g/m 3 c Sä = 17,3 g/m 3 rel. LF = c/c Sä 100 % 60 % rel. LF ϑ = 12,0 C II Feuchtigkeitsgehalt der Luft (Vol.-%) bei 20 C, c = 10,4 g/m 3 p V = n R T p V = m R T / M V = m R T / M p V = 10,4 g 8,3145 Pa m 3 mol -1 K ,15 K / 18, 015 g mol Pa V = 0,0139 m 3 p = 0,0139 m 3 /m Vol.-% 1,4 Vol.-%

17 Physikalische Eigenschaften von Luft 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) 1) abhängig von T und p Spezifische Wärmekapazität in J / kg K (Näherungswerte) Luft 1000 Wasserdampf 2000 Wasser 4200 Baumetalle 500 anorg. Dämmstoffe 1000 Kunststoffe 1500 Holz, Holzwerkstoffe 1700 T = 1 K c p (H 2 O) = 4180 J/kgK 1 kg T = 1 K 1 m 1 m 2 1 m2 λ PS = 0,04 W/mK

18 Wasser Spezifische Wärmekapazität in J/kgK (20 C) Blei Kupfer Eisen Aluminium Fensterglas Ziegel Beton Asphalt Polystyrol Holz Luft (trocken) Wasserdampf (25 C) Eis (0 C) Ethanol

19 Wärmeleitfähigkeit in W / m K Wärmeleitfähigkeit hoch poröser Baustoffe steigt mit Feuchtigkeit Thermografie 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 Komplexe Situation: Zusammenwirken von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der (feuchten) Außenwände!

20 Wärmeleitfähigkeit und Feuchtigkeitsgehalt 1) 1) J. Cammerer, J. Achtziger, Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Wärmeleitfähigkeit von Bau- und Dämmstoffen. Bericht zu BmBau Forschungsvorhaben BI , 1984.

21 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 / Sonnenstrahlung - Lage zum Meer - Höhenlage, Lage zu Gebirgen - Bodenbedeckung - Kreisläufe und Zirkulationssysteme (sek.) Klimaelemente (messbar): - Lufttemperatur - Wind - Luftdruck - Niederschlag - Luftfeuchtigkeit - Verdunstung - Globalstrahlung

22 Natürlicher Treibhauseffekt Die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenstrahlung wird dort in Wärmeenergie umgewandelt. Abstrahlung als Wärmestrahlung (IR- Strahlung) von der Erde Wichtige klimarelevante Gase/Spurengase H 2 O(g) Wasserdampf CO 2 Kohlendioxid 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) CH 4 N 2 O O 3 Methan Lachgas Ozon

23 Natürlicher Treibhauseffekt (Bliefert, 2002) ungehinderte Sonneneinstrahlung und Wärmeabstrahlung Treibhaus Atmosphäre unveränderte Einstrahlung, Reflektion Wärmestrahlung steigende Oberflächentemperatur, höhere Abstrahlung neues thermisches Gleichgewicht, höhere Oberflächentemperatur

24 Natürlicher Treibhauseffekt

25 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 p Radioaktivität C B A Wärmestrahler Mobilfunk Röntgenröhre Sonne CD Radar Rundfunk

26 Spektrale Strahlungsflussdichte der solaren Einstrahlung und terrestrischen Ausstrahlung Absorptionsspektren der Spurengase H 2 O, CO 2 und O 3

27 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

28 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 aus fossilen Energieträgern CO 2 Industrialisierung CH 4 Landwirtschaft, Industrie N 2 O Landwirtschaft, NO x -Minderung FCKW Kältemittel, Treibgas SF 6 Isoliergas, Schutzgas, Klimageschichte noch kein der signifikanter Erde Globale Einfluss, Temperatur und globaler CO 2 -Gehalt doch starker Anstieg der Konz.

29 Treibhausgase und Baustoffe Rohstoffe Herstellung Transport Einsatz/Betrieb Gebäude Rückbau/Entsorgung Zufuhr des Rohstoffgemischs zur Glasschmelze (Doghouse)

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

31 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

32 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

33 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 China und Indien Nordindien und Bangladesh - 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.

34 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)

35 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 - ab 300 m Tiefe Arktis, 600 m Tropen (Kontinentalränder), meist m - Permafrostboden Sibiriens Folgen der Freisetzung - Diffusion Ausbruch - Zeitskala (Lösung, Oxidation, Versauerung) - Rückkopplungseffekt

36 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 mineralischer Dünger - Verbrennung fossiler Energieträger - Produktion halogenierter Kohlenwasserstoffe