Einführung in die Atmosphärenchemie. Die Stratosphäre

Ähnliche Dokumente
Vorlesung: Ökologische Chemie I. (Grundlagen der Umweltchemie)

Das Ozonloch. Heini Wernli Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz

Schnelle Photochemie und Ozonabbau in der Stratosphäre

Gliederung der Vorlesung

Was bestimmt unser Klima?

Atmosphärische Fernerkundung. 3. Fernerkundungsmessungen vom Boden, Flugzeugen, Ballons und Satelliten

Klimawandel und Ozonloch

Ozonproblematik. Chemie in übergreifenden Zusammenhängen (LV ) Julia Fehring Lena Schreiner

Gliederung der Vorlesung

Abweichungen vom idealen Gasverhalten: van der Waals. Abweichungen vom idealen Gasverhalten: van der

Interpretation of Recent Southern Hemisphere Climate Change David W. J. Thompson and Susan Solomon Science, Vol. 296, Hemisphere Climate Change

Gliederung der Vorlesung

2.4 Ozon und FCKW. Ozon

Summenformel Elektronenstrichformel Name Siedepunkt

PC IV - Reaktionsdynamik

Geschichte der Kältemittel gefährlich, umweltbelastend, aber damit innovationstreibend

Kapitel 1 Stratosphärisches Ozon

Klimawandel und die globale Ozonschicht Sonnenbrand oder Vitamin-D-Mangel? Hella Garny DLR Oberpfaffenhofen

Mesoskalige Prozesse in der Stratosphäre

Kapitel 3. Ozon in der polaren Stratosphäre. 3.1 Die Chapman Chemie

Erdatmosphäre. Schichtung und Temperaturverlauf. 500 km. Thermosphäre. Temperaturkurve. 90 km. Mesosphäre. 50 km. Stratosphäre O Z O N S C H I C H T

Die Rolle der Stratosphäre im Klimasystem

Atmosphärische Zirkulation

Wechselwirkungen von Klima und atmosphärischer Chemie. Wintersemester 2007/2008 Martin Dameris

Gliederung der Vorlesung

9 Aerosole in der Stratosphäre

Kapitel 13 Einfluss zukünftiger Temperaturänderungen

Gliederung der Vorlesung

Höhere tropische Meeresoberflächentemperaturen verstärken das tropische Aufsteigen mittels hochreichender Konvektion

Kapitel 5 Stratosphärische Meteorologie im Beobachtungszeitraum

Ergebnisse der Klimaforschung seit dem IPCC-Bericht 2007

Titans Atmosphäre. 10. Mai 2011

Das Ozonloch und seine Ursachen MARTIN DAMERIS THOMAS PETER ULRICH SCHMIDT REINHARD ZELLNER

Die Freie Aktivierungsenthalpie

Gliederung der Vorlesung

Klimawirkungen des Luftverkehrs

Versuch FP 18 Atmosphärische Spektroskopie. Version: 15. Januar 2007

3. Übung Grundlagen der Hauptgruppenchemie

Die chemische Luftnummer

Ozonabbau durch FCKW

2 Umweltkompartiment Luft

Inversion globaler Ozonvertikalverteilungen aus Messungen des Satelliteninstruments GOME

Absorptionsspektroskopie von Ozon und anderen, wichtigen, atmosphärischen Spurengasen. im ultravioletten bis nahinfraroten Spektralbereich

Das Ozonloch - Menschliche Einflüsse auf die Chemie der globalen Atmosphäre*

Dozent(en): Gregor Rehder, Ralf Zimmermann, Thorsten Streibel. Chemie Lehramt 6-8 FS, Sonstige????

Treibhausgase. Stefan Smidt. Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft. Smidt / BFW

Dies ist eine Auswahl der in der Vorlesung Einführung in die Anorganische Chemie im WS 2007/08 gezeigten Powerpoint-Folien im pdf-format, ohne

Klimawandel. Inhalt. CO 2 (ppm)

Ergebnisse aus zehn Jahren

Beiträge zur Berliner Wetterkarte Herausgegeben vom Verein BERLINER WETTERKARTE e.v. zur Förderung der meteorologischen Wissenschaft

Fernerkundung der Erdatmosphäre

Zum Impakt von Velkaeeriiptioneo auf das atmosphärische

Lösung Sauerstoff: 1s 2 2s 2 2p 4, Bor: 1s 2 2s 2 2p 1, Chlor: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Neon: 1s 2 2s 2 2p 6

Geografie, D. Langhamer. Klimarisiken. Beschreibung des Klimas eines bestimmten Ortes. Räumliche Voraussetzungen erklären Klimaverlauf.

Haben wir das Ozonloch jetzt im Griff?

Das antarktische Ozonloch eine Folge der Luftverschmutzung

3. Photochemie und Reaktionskinetik 3.1 Allgemeine Grundlagen

Die Erdatmosphäre: Ihre chemische Zusammensetzung, vertikale Struktur und Physik

Ozonabbau in der arktischen Stratosphäre: molekulare vs. dissoziative Adsorption von HCl an Wasserclustern

Von Bekir Ada & Edin Terzic ANORGANISCHE PEROXIDE & RADIKALE

Messung atmosphärischer Spurengase in Ny-Ålesund

Klima = Neigung. Klima = Neigung. 20 Strahlen pro Fläche: warm. 20 Strahlen pro Fläche: warm. 10 Strahlen pro Fläche: kalt. 10 Strahlen pro Fläche:

Bestimmung des Ozonabbaus in der arktischen und subarktischen Stratosphäre

Die Erdatmosphäre besteht aus 2 Schichten, welche die Erde umringen: 1. Die Troposphäre, die sich ungefähr in 8 16 Km Höhe um die Erde herum befindet.

Übersicht. 1. Allgemeine Betrachtung. 2. IPCC bisherige Klimaentwicklung. 3. Antrieb Strahlung. 4. Strahlungs-Forcing. 5. IPCC globale Entwicklung

Photonen spalten FCKW aber nur langsam

Ozonloch: Entstehung und Gefahren

Chemie der Atmosphäre. Susanne Crewell Meteorologisches Institut Ludwig-Maximillians-Universität München Wintersemester 2004/2005

Das Loch. Ozonabbau in der Stratosphäre: Ausmaß, Ursachen und Folgen Von Reinhard Zellner

Wilhelm Kuttler. Klimatologie. Ferdinand Schöningh Paderborn München Wien Zürich

Vorlesung Chemie für Biologen: Klausur 1 WS Sa

Kapitel 14 Einfluss des Klimawandels auf die Erholung der Ozonschicht

Einfluss der Klimaänderung auf die Ozonschicht

Die Rolle der Stratosphäre für das Klimasystem. K. Labitzke

Bestimmung von Ozonabbauraten über der Arktis und Antarktis mittels Ozonsonden- und Satellitendaten

Chemie wässriger Lösungen

Chemie der Atmosphäre

Inoffizielle Lösungen der Atmosphäre Vordips Alle Angaben ohne Gewähr

Die Ozonschicht in der Stratosphäre (10 50 km) ist

OZONABBAU DURCH FCKW. Versuch 8. Ozonabbau durch FCKW

PSCs und stratosphärischer Wasserdampf

Die Ozonproblematik. Vorgelegt von Christian Schehle Matrikelnummer:

6-10 KLIMA OZON SACH INFORMATION STRATOSPHÄRISCHES OZON

Auswirkungen der Fluorchlorkohlenwasserstoffe auf die Ozonkonzentration

Wettersysteme HS 2012

Sauerstoff. Vorkommen:

Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 1. Siehe

Berechnung der Life Supporting Zones David Neubauer

Anthropogen bedingte Klimaänderungen Kenntnisstand gemäß IPCC Bericht 2007

Chemie der Atmosphäre. Susanne Crewell Meteorologisches Institut Ludwig-Maximillians-Universität München Wintersemester 2005/2006

1. Wie berechnet man die globale Temperatur der Erde? 2. Wie kann man die historischen Klimadaten (vor 1880) ermitteln? 3. Wie funktioniert der

S. Brönnimann - Grossräumige Klimaschwankungen WS 05/06

Kapitel 9. Fehlerdiskussion. 9.1 Statistische Fehler. 9.2 Systematische Fehler

Faktoren der Ozonbelastung

Ozon-Klima-Wechselwirkungen in Simulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC

Die Geschichte des Ozonlochs Ein wissenschaftlich-politisches Lehrstück

Parameter für die Habitabilität von Planeten - Atmosphäre

Atmosphärenchemie WS 2005/06 Dr. R. Tuckermann. Chemische Reaktionen

Anorganische Peroxide und Radikale. von Benjamin Scharbert

Ozonschichtschädigende und klimawirksame Stoffe

Transkript:

Überblick Einführung in die Atmosphärenchemie Zusammensetzung, Druck, zonale Einteilung Temperatur und solare Einstrahlung Die Troposphäre Thermodynamik vs. Kinetik Photochemie und Radikalreaktionen Die Stratosphäre Ozonchemie Wichtigkeit Ozonsynthese und Abbau Katalytische Reaktionen Anthropogene Beeinflussungen Das Ozonloch 1

Die stratosphärische Ozonkonzentration Die Stratosphäre Ultrakurzwellige Strahlung in höheren Schichten der Erde absorbiert (N 2, O 2 etc.) Wichtige Filterung des UV- Bereichs von 200 315 nm (max auf ca. 255 nm) Darstellung der Ozonverteilung stark abhängig von der dargestellten Einheit Stratosphärisch wichtig, in der Troposphäre Schäden verursachend (good and bad ozone) UV-A 315 400 nm UV-B 280 315 nm UV-C <280nm 2

Absorption im UV-Bereich 3

Die stratosphärische Ozonkonzentration Messung der Ozonkonzentration und Verteilung LIDAR (Light Detection and Ranging 2 Wellenlängen (Differential Lidar) eine ineine ausserhalb der Absorptionsbande Wichtige Filterung des UV-Bereichs von 200 315 nm (max auf ca. 255 nm) Dobson Ozone Spektrometer seit 1920, auf 4 Wellenlängen messend Dobson unit: 300 DU ~ 3mm pures Ozon bei P 0 und 0 C Systeme mobil am Boden (z.b. STROZ- LITE, satellitengestützt (TOMS u. später OMI), oder von Flugzeug aus eingesetzt (AROTEL (airborne Raman, Ozone, T, and Aerosol Lidar) 4

Die stratosphärische Ozonkonzentration Natürliche Verteilung Im Mittel etwa 300 DU mit etwa 250 DU über den Tropen und bis zu 450 DU in den hohen nördlichen und südlichen Breiten Major concerns Abnahme des Mittelwertes (mehrere % seit Beginn der Messungen) Saisonal und räumlich begrenzter Einbruch der Ozonkonzentration in hohen Breiten (Ozonloch) Mittlere Ozonsäule über der Arktik, 1970-2000 5

Stratosphärische Ozonchemie nur Sauerstoff Oxygen-only Chemie: Chapman Zyklus Synthese DH /kj mol -1 Rate O 2 + hn (l < 240 nm) O + O -E(hn ) +498.4 langs. O + O 2 + M O 3 + M -106.5 schnell Abbau O 3 + hn (l < 230-320 nm) O 2 * + O* -E(hn ) + 368.5 schnell. O + O 3 O 2 + O 2-391.9 langsam Trotz der schnellen Reaktionen ist die Lebensdauer der Odd oxygen Spezies im Bereich von Monaten 6

Stratosphärische Ozonchemie nur Sauerstoff Annahme: DH T = DH Synthesereaktion 7

Stratosphärische Ozonchemie nur Sauerstoff Oxygen-only Chemie Synthese DH /kj mol -1 Rate O 2 + hn (l < 240 nm) O + O -E(hn ) +498.4 langs. O + O 2 + M O 3 + M -106.5 schnell Abbau O 3 + hn (l < 230-320 nm) O 2 * + O* -E(hn ) + 368.5 schnell. O + O 3 O 2 + O 2-391.9 langsam Beachte Spinerhaltung, die die Produkte des photochemischen Ozonabbaus im angeregten Zustand erfordert (oder beide Grund zustand, aber 1123 nm (~106.5 kj/mol -1 ) Wirkungsquerschnitt extrem gering) 8

Produktion von Sauerstoffspezies im angeregten Zustand 9

Stratosphärische Ozonchemie nur Sauerstoff Oxygen-only Chemie Abbau O 3 + hn (l < 230-320 nm) O 2 * + O* -E(hn ) + 368.5 schnell. O + O 3 O 2 + O 2-391.9 langsam Abbau in den angeregten Zustand erfordert zusätzliche Energie der Anregungsenergien (E e ) von O 2 und O, 90 bzw. 190 kj/mol -1 ) => DH (photochem. Ozonabbau) = 387 kj/mol -1 entspricht l < 309 nm Maximale Absorption zwischen 200 und 315 nm ist Hauptursache für Filterung im gefährlichen UV-B Bereich; Abbaureaktion durch Reaktion von Ozon und atom. Sauerstoff langsam wegen geringer Anzahl der Reaktionspartner und hohem E a (18 kj/mol -1 ) 10

Stratosphärische Ozonchemie katalytischer Ozonabbau Katalytischer Ozonabbau Generelle Formulierung meist X + O 3 XO + O 2 XO + O X + O 2 O + O 3 2 O 2 In der Regel bezeichnet X hierin ein freies Radikal HO x H, OH, OOH NO x NO, NO 2 ClO x Cl, ClO Dominanz der einzelnen Prozesse ist höhenabhängig 11

Stratosphärische Ozonchemie katalytischer Ozonabbau Wasserstoff involvierende katalytische Reaktionen Wasserstoff in der Stratosphäre zum Großteil aus photochem. Zersetzung von Methan mit Produkt Wasser O(1D) + H 2 O 2 OH H 2 O + hn OH + H oder Reaktion dann gemäß genereller Formulierung X + O 3 XO + O 2 OH + O 3 HOO + O 2 XO + O X + O 2 HOO + O OH + O 2 O + O 3 2 O 2 O + O 3 2 O 2 12

Stratosphärische Ozonchemie katalytischer Ozonabbau NO x involvierende katalytische Reaktionen Troposphärische Stickoxide zum Großteil auf kurzen Zeitskalen (Tage) oxidiert und als Salpetersäure präzipitiert. Diskussion um Überschallflugzeuge heute relativ gegenstandslos Hauptquelle für NO x in der Stratosphäre: Lachgas N 2 O O(1D) + N 2 O 2 NO N 2 O Lebensdauer etwa 120 y In mehr als 30 km Höhe zusätzlich N 2 + hn (l< 126 nm) N( 4 S) + N( 2 D) Grundzustand N mit hoher E trans N( 4 S) + O 2 NO + O Daneben aber auch Abbau katalytischer Spezies NO + OH + M HNO 2 + M (nicht additiver Charakter) 13

Stratosphärische Ozonchemie katalytischer Ozonabbau ClO x involvierende katalytische Reaktionen Wichtigste natürliche Quelle Methychlorid (vor allem marin) CH 3 Cl + hn CH 3 + Cl Neben Grundreaktion wichtige andere katalytische Zyklen (> 60%) HOO + ClO HOCl + O 2 ClO + BrO Cl + Br + O 2 HOCl + hn HO + Cl Br + O 3 BrO + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 Cl + O 3 ClO + O 2 OH + O 3 HOO + O 2 2 O 3 3 O 2 2 O 3 3 O 2 Auch Br-Verbindungen oft aus mariner Produktion 14

Gegenübergestellt 15

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFCs) Nutzung seit 30er Jahren als Kühlmittel, Löschmittel, Reinigungsmittel und Schäumungsgas Nomenklatur CFC-xyz (x : nc-1; y: nh +1; z: nf) CFC 115 : C 2 H 0 F 5 Cl : CF 3 -CF 2 Cl CFC12: C 1 H 0 F 2 Cl 2 : CF 2 Cl 2 Chemische Nutzung z. Großteil wegen inertem Verhalten, aber photolytische Zersetzung unter Freisetzung von Cl in der Stratosphäre CFCl 3 + hn (l<290 nm) CFCl 2 + Cl (in Folge weitere Chlorfreisetzung) 16

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFCs) 17

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW oder CFCs) Verabschiedung des Protokolls von Montreal 1987 Konzentration der CFCs langsam rückläufig Einigung bei den Halonen (analoge Bromverbindungen) schwierig Merke für ODPs: F<Cl<Br<I 18

CFC-Ersatzverbindungen 19

Nullzyklen und Speicherreaktionen Konkurrierende Reaktionen zum katalytischen Abbau z.b. NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O 3 NO 3 + O 2 NO 2 + hn NO + O NO 3 + hn NO 2 + O O 3 + hn O 2 + O O 3 + hn O 2 + O Atomarer Sauerstoff steht wieder zur Ozonbildung zur Verfügung Speicherreaktionen: NO 3 + NO 2 + M N 2 O 5 + M Ebenso: Bildung von HNO 3 und HCl, die stets 50% des in der Stratosphäre gespeicherten NO x und Cl ausmachen Auch Bildung von hypochloriger Säure und Chlornitrat 20

Das Ozonloch Anthropogene und andere Einflüsse Globale Abnahme im Bereich einiger % Mittlere Ozonsäule über der Arktik, 1970-2000 21

Das Arktische Ozonloch 22

Das antarktische Ozonloch II 23

24

Einige Hinterfreundinformationen Erstmals publiziert 1984 von Molina Rückgang von 314 DU auf unter 150 DU, jeweils im polaren Frühling Südhemisphäre viel stärker ausgeprägt als Nordhemisphäre Bisher einziger Nobelpreis für Chemie aus dem Bereich der Umweltchemie an Crutzen, Rowland, Molina 25

Katalytische Zersetzung an PSCs bei Einsetzten der Photochemie und T-Erhöhung 26

Ausbildung und Zusammensetzung von PSCs Polarwirbel im Winter stark ausgeprägt, fixiert die Luftmassen im Inneren bei gleichzeitiger extremer Abkühlung Dunkel! Ausbildung stratosphärischer Wolken bei Temperaturen < 193 K PSC1: etwa 1 mm-teilchen aus Wasser und Salpetersäure PSC2: etwa 10 m-teilchen vorwiegend Wasser Auch noch vorhanden: Chlornitrat, Salzsäure, z. Tl. Durch heterogene Katalyse in Cl 2 und HOCl überführt. Einsetzen der Sonneneinstrahlung führt zu rapider Bildung vor allem von Chlorradikalen (aber auch NOx), => drastischer Ozonabbau Hält vor, bis Erwärmung die stabilen meteologischen Verhältnisse auflöst und zum Abbau der stratosphärischen Wolken führt. 27

28

Katalytische Zersetzung an PSCs bei Einsetzten der Photochemie und T-Erhöhung 29

Neues zum Ozonloch über der Arktis Amely Symank 29.01.2013 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT

3.Unterschiedliche Randbedingungen Gegenüberstellung von Antarktis und Arktis Entwicklung des Polarwirbels in beiden Hemisphären sehr unterschiedlich Antarktis: Polarwirbel kann sich ungestört entwickeln Strömungsmuster sind meistens stabil und werden kaum beeinträchtigt der gesamte Wirbel ist zonal symmetrisch um den Pol verteilt Luft kann sich ungestört abkühlen Temperaturen im Mittel unter -85 C Quelle: http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/upload/thumb/ Ozonloch2003.gif/420px-Ozonloch.gif 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 31

Arktis: Tiefdruckgebiet liegt nicht zentral über dem Pol Verschiebung des arktischen Polarwirbels in Richtung Europa, verursacht durch Alëuten-Hoch (Alëuten = Inselgruppe im Nordpazifik) Polarwirbel nicht mehr symmetrisch über dem Pol Kälte- und Wirbelzentrum liegt im Mittel über Spitzbergen Asymmetrie entscheidend für die gesamte Dynamik Arktischer Polarwirbel nicht so tief und kalt Im Mittel Minimaltemperaturen von -75 C im Kältezentrum Ein dem Alëuten-Hoch entsprechendes Hochdruckgebiet gibt es in der Südhemisphäre nicht Quelle: http://www.awi.de/fileadmin/user_upload/ News/Press_Releases/2011/2._Quartal/Polarwirbel _30_03_2011_p.jpg Quelle: http://forumandersreisen.de/images/ reiseziele/laender/247.png 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 32

30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 33

4.2. Wie kam es dazu? Anomal stark ausgeprägter Polarwirbel V psc größer als je zuvor beobachtet Untypisch lange anhaltende Kälteperiode T < 196 K für mehr als 100 Tage in einer Höhe von 15-23 km Sehr wichtige Bedingungen für massiven Ozonverlust Erster arktischer Winter, in dem beide Bedingungen nebeneinander auftraten 1997 zwar auch lange Kälteperiode, aber V psc war sehr viel kleiner Quelle: Manney et al., Nature, 478, 470 (2011) 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 34

PSCs waren bis Mitte März reichlich vorhanden viel langer als gewöhnlich Durchschnittsbeträge des Polarwirbels auf Höhen wie in der Antarktis (sonst zu der Zeit in der Arktis eigentlich schon fast weg) PSCs auf Höhen derer in der Antarktis Ende März kaum noch PSCs niedrigere HNO 3 Mischungsverhältnisse als sonst Denitrifikation als Folge Größenordnung wie in Antarktis 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 35

Quelle: Manney et al., Nature, 478, 472 (2011) 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 36

4.4. Wie sieht es in der Zukunft aus? Klimawandel führt in der Troposphäre zu Erwärmung in der darüber liegenden Stratosphäre hingegen zu Abkühlung Globale Stratosphäre hat sich in den letzten 30 Jahren rapide abgekühlt Annahme: die arktischen Winter werden immer kälter ( aber: kein statistischer Trend, weil die Winter sehr variabel sind) Lichtblick: bei Befolgung des Montrealer Protokolls nimmt die Häufigkeit der ozonzerstörenden Chlor- und Bromverbindungen ab 30.04.2015 2009 UNIVERSITÄT ROSTOCK MATHEMATISCH NATURWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 37

So much about the stratosphere Next to come: Troposphärenchemie Die Luft in der wir atmen 38