2.2 Atmosphäre und Treibhausgase • Aufbau und Bedeutung der Atmosphäre
- Atmosphäre - Gashülle eines Himmels- körpers (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, Ionisie- rung, Fluchtbewegung und Magnetfeld
Unterteilung der Atmosphäre nach verschiedenen Kenngrößen
Temperatur Flucht-bewegung
Zusammen-setzung
Ionisierung Einfluss des Magnetfeldes
10 km
100 km
1 000 km
10 000 km
100 000 km
Thermo- sphäre
Mesosphäre
Stratosphäre Troposphäre
Obere Atmosphäre
Mittlere Atmosphäre
Untere Atmosphäre
Exosphäre (Vakuum)
Hetero- sphäre
Homo- sphäre
Protono- Magneto- sphäre sphäre
Ionosphäre
Neutro- sphäre
Interplanetarischer Raum
(Exosphäre)
Ausdehnung und Charakteristik der verschiedenen Sphären Kenngröße Sphäre Ausdehnung in km Charakteristik
Troposhäre 0 - 12 15 °C � - 60 °C
Stratosphäre 12 - 50 - 60 °C � 0 °C
Mesosphäre 50 - 80 0 °C � - 90 °C
Thermosphäre1) > 80 - (500) - 90 °C � "1100 °C"
Temperatur-verhältnisse
(Exosphäre)1) (> 500) "1100 °C � 1500 °C" Fluchtbeweg. Exosphäre ab 400 - 1000 ungeladene Teilchen
Homosphäre 0 - 120 gleichartige Zusammensetz. Zusammen-setzung Heterosphäre > 120 Abnahme molare Masse
Neutrosphäre 0 - 80 ungeladene Teilchen
Ionosphäre 80 - 1000 (Max 300) UV-Ionisation der Gase Ionisierungs-grad
Protonosphäre >1000 45 % H+, 5 % He2+, e- Magnetfeld Magnetosphäre 100 - 1502) 20003) geladene Teilchen Absorption Chemosphäre 20 - 600 photochemische Reaktionen 1) Temperaturen beziehen sich auf Teilchengeschwindigkeiten! (sehr geringe Teilchendichte!) 2) Elektronenstrom in der Ionosphäre � Polarlichter 3) innerer Ionenstrom im Magnetfeld
Sphären und Pausen der Lufthülle nach dem Temperaturverlauf (schematisch)
Temperatur °C
-100 -60 0 20 60 100 200
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)
• Wichtige Funktionen der Atmosphäre
- Strahlungsschutz � 2.2, (UV-Strahlung, Röntgenstrahlung) Meteoritenschutz
- Durchlässigkeit für Vis- und IR-Strah- lung (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 Verweil- dauer)
- hohe Empfindlichkeit der Regelmechanis- men (Vulkanausbrüche, CO2, FCKW �2.4 , …)
Temperaturabsenkung
Wetter
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
400 500 600 700 λ/nm
kosmische γ-Strahlen Röntgenstrahlen UV Infrarotstrahlen Mikrowellen Radiowellen
-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 lg λ/m
1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m
Radioaktivität C B A Wärmestrahler Mobilfunk
+242He p1
1 Röntgenröhre Sonne CD Radar Rundfunk
γ-Strahlen : < 5 pm Extremes UV : 1(10) nm - 100 nm
Röntgenstrahlung : pm - 1(10) nm UV-C : 100 - 280 nm (< 200 nm ionisierend)
UV-Strahlung : 1 (10) - 400 nm UV-B : 280 - 320 nm
UV-A : 320 - 400 nm
Sichtbares Licht
Spektrale Intensität der Sonnenstrahlung in doppelt-logarithmischer Auftragung1)
Emission: gesamtes Spektrum, bedeutsam ca. 300 - 3500 nm
Maximum: ca. 480 nm (blaugrün) 1)
https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung
Strahlungsabsorption der Erdatmosphäre
Schutzschild der Erde Magnetosphäre (Erdmagnetfeld)
- Schutz vor Sonnenwind, H+, He2+, e- (Plasma) mit 300 - 800 km/s
- Polarlichter, elektronische Anregung von Luftteilchen in der oberen Atmosphäre1)
grün: O, 557,7 nm, 100 km rot: O, 630 nm, 200 km rot, violett bis blau: N, N2, 150 km (starker Sonnenwind, hohe Energie) Ionosphäre Röntgenstrahlung und (Thermosph.) harte UV-Strahlung Stratosphäre UV-C- und UV-B-Strahlung
Verformung der Magnetosphäre
1)Anregung durch Elektronenstrom in tieferen Schichten der
Ionosphäre (100 - 300 km) bei starkem Sonnnenwind
Polarlichter
• Zusammensetzung und Eigenschaften von Luft
Bestandteil Formel Volumenanteil (mittlere Zusammensetzung) Trockene Luft Normale Luft
Stickstoff N2 Hauptbe- 78,08 Vol.-% 76,6 Vol.-% Sauerstoff O2 standteile 20,95 Vol.-% 20,5 Vol.-% Wasserdampf H2O 0 2 Vol.-%3) Argon Ar Nebenbest. 0,934 Vol.-% 0,9 Vol.-% Kohlendioxid CO2 S 0,040 %2) 0,034 Vol.-% Neon Ne p 18,18 ppm 17 ppm Helium He u 5,24 ppm 5 ppm Methan CH4 r 1,7 - 1,8 ppm 1,5 ppm Krypton Kr e 1,14 ppm 1,0 ppm Wasserstoff H2 n 0,5 ppm 0,5 ppm Distickstoffmonoxid N2O g 0,3 ppm 0,3 ppm Xenon Xe a 87 ppb 87 ppb Kohlenmonoxid1) CO s 30 - 250 ppb 30 - 250 ppb Ozon1) O3 e 10 - 100 ppb 10 - 100 ppb Stickstoffdioxid NO2 10 - 100 ppb 10 - 100 ppb Schwefeldioxid SO2 ∑ ≈ 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; http://keelingcurve.ucsd.edu) 3)Annahme von 2 Vol.-% als Berechnungsgrundlage 1 % = 1 ⋅ 10-2 1 ppm = 1 ⋅ 10-6 1 ppb = 1 ⋅ 10-9
Luftverunreinigungen
Klassische Luftschadstoffe Klimarelevante Treibhausgase
Primäre Luftschadstoffe
Sekundäre Luftschadstoffe
Globale Emissionen und charakteristische Gehalte von Spurengasen (Bliefert, 2002)
Global emittierte Menge (in 106 t/a)
Volumenanteile (in ppm) Verhältnis
Gas
Anthropogen Natürlich Verunr. Luft Reine Luft A / N V / R
CO2 22 000 600 000 400 320 0,037 1,25
CO 1 490 920 60 0,1 1,62 600
CH4 50 1 600 2,5 1,5 0,031 1,7
and. KW 90 2 600 10 0,1 0,035 100
SO2 200 155 0,2 0,0002 1,3 1 000
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
Wasserdampf der Luft - Luftfeuchtigkeit Absolute Luftfeuchtigkeit Masse an Wasserdampf, die bei der Temperatur T (abs. LF, c) in 1 m3 Luft enthalten ist (in g/m3) Sättigungskonzentration Maximale Masse an Wasserdampf, die 1 m3 Luft (max. LF, cSä) bei der Temperatur T aufnehmen kann (in g/m3) Relative Luftfeuchtigkeit Verhältnis zwischen absoluter Luftfeuchtigkeit und (rel. LF) Sättigungskonzentration (in %) Taupunkttemperatur ϑ Temperatur, bei der die gegenwärtige, absolute Luftfeuchtigkeit die Sättigungskonzentration wäre
Wasserdampfsättigung der Luft in Abhängigkeit der Temperatur T
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-20 -10 0 10 20 30 40
Temperatur in °C
g W
asse
rdam
pf /
m3
Luft
ϑ
cSä
c(20 °C) = 10.4 g/m3
Beispiele I relative Luftfeuchtigkeit (%) bei 20 °C, c = 10,4 g/m3
� cSä = 17,3 g/m3 � rel. LF = c/cSä ⋅ 100 % ≈ 60 % rel. LF
� ϑ = 12,0 °C
II Feuchtigkeitsgehalt der Luft (Vol.-%) bei 20 °C, c = 10,4 g/m3 p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T
p ⋅ V = m ⋅ R ⋅ T / M � V = m ⋅ R ⋅ T / M ⋅ p
V = 10,4 g ⋅ 8,3145 Pa ⋅ m3 ⋅ mol-1 ⋅ K-1 ⋅ 293,15 K / 18, 015 g ⋅ mol-1 ⋅ 101 325 Pa
V = 0,0139 m3 p = 0,0139 m3/m3 ⋅ 100 Vol.-% ≈ 1,4 Vol.-%
Physikalische Eigenschaften von Luft 1)
abhängig von T und p
Spezifische Wärmekapazität cp1)
Zugeführte Wärmemenge, um 1 kg ei- nes Stoffes um 1 K zu erwärmen (J / kg ⋅ K)
Spezifische Wärmeleitfähigkeit λ1)
Wärmemenge, die in 1 s durch 1 m2 eines Stoffes von 1 m Dicke strömt, wenn der Temperaturunterschied 1 K beträgt
(J / s ⋅ m ⋅ K = W / m ⋅ K)
Spezifische Wärmekapazität in J / kg ⋅ K (Näherungswerte)
Luft 1000 Wasserdampf 2000
Wasser 4200
Baumetalle 500 anorg. Dämmstoffe 1000 Kunststoffe 1500 Holz, Holzwerkstoffe 1700
1 m 1 m2 1 m2
∆T = 1 K
λPS = 0,04 W/mK
1 kg
∆T = 1 K
cp(H2O) = 4180 J/kgK
https://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_spezifische_Wärmekapazitäten
Spezifische Wärmekapazität in J/kgK (20 °C)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
BleiKup
fer
Eisen
Alumini
um
Fenst
ergla
sZieg
elBet
onAsp
haltPoly
styro
lHolz
Luft (
trock
en)
Wass
erda
mpf (25
°C)
Eis (0
°C)
Ethan
ol W
asser
Wärmeleitfähigkeit in W / m · K
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
Thermografie
Wärmeleitfähigkeit hoch poröser Baustoffe steigt mit Feuchtigkeit
Komplexe Situation:
Zusammenwirken von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der (feuchten) Außenwände!
Wärmeleitfähigkeit und Feuchtigkeitsgehalt1)
1)
J. Cammerer, J. Achtziger, Einfluss des Feuchtegehaltes auf die Wärmeleitfähigkeit von Bau- und Dämmstoffen. Bericht zu BmBau Forschungsvorhaben BI 5-800883-4, 1984.
• Treibhausgase und Klima
Klima
Durchschnittlicher Zustand der Atmo- sphäre an einem Ort über einen längeren Zeitraum (30 Jahre), der anhand meteorologischer Daten be- schrieben 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
Natürlicher Treibhauseffekt
Die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenstrahlung wird dort in Wärme- energie umgewandelt.
� Abstrahlung als Wärmestrahlung (IR- Strahlung) von der Erde Der größte Teil dieser Wärmestrahlung wird nicht ins Weltall transportiert, sonderen von einigen Spurengasen (Treibhausgase) absorbiert und gespei- chert.
� signifikante Beeinflussung des Wär- mehaushalts der Atmosphäre
� Einfluss auf Temperatur und Klima, Erwärmung der Erde um insges. 33 °C
(Mittelwert + 15 °C � - 18 °C)
Wichtige klimarelevante Gase/Spurengase H2O(g) Wasserdampf
CO2 Kohlendioxid
CH4 Methan
N2O Lachgas
O3 Ozon
Natürlicher Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)
ungehinderte Sonnenein- strahlung und Wärmeab- strahlung
Treibhaus Atmosphäre
� unveränderte Einstrahlung, Reflektion Wärmestrahlung � steigende Oberflächentemperatur, höhere Abstrahlung � neues thermisches Gleichgewicht, höhere Oberflächen- temperatur
Natürlicher Treibhauseffekt
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
400 500 600 700 λ/nm
kosmische γ-Strahlen Röntgenstrahlen UV Infrarotstrahlen Mikrowellen Radiowellen
-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 lg λ/m
1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m
Radioaktivität C B A Wärmestrahler Mobilfunk
+242He p1
1 Röntgenröhre Sonne CD Radar Rundfunk
Sichtbares Licht
Spektrale Strahlungsflussdichte der solaren Einstrahlung und terrestrischen Ausstrahlung
Absorptionsspektren der Spurengase H2O, CO2 und O3
Wirkung der Treibhausgase
- Treibhausrelevante Spurengase sind Moleküle mit drei oder mehr Atomen, die die Infrarotstrahlung (Wärmestrah- lung) der Erde absorbieren können.
- Die absorbierte Energie wird in Form von Molekülschwingungen und/oder -rotationen gespeichert (Erhöhung der kinetischen Energie).
- Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbe- standteile der Atmosphäre, sind zwei- atomige Moleküle ohne Dipolmoment und absorbieren daher keine Infrarot- strahlung!
Fundamentalschwingungen eines CO2-Moleküls
symmetrische Streckschwingung
asymmetrische Streckschwingung
Knickschwingung
• Zusätzlicher (anthropogener) Treibhauseffekt Klimageschichte der Erde – Globale Temperatur und globaler CO2-Gehalt
- Der zusätzliche oder anthropogene Treibhauseffekt wird durch die Aktivitä- ten des Menschen verursacht. Sein Anteil an der gesamten Tempera- turerhöhung von 33 °C beträgt heute ca. 0,8 °C, also mehr 2 %.
- Er ist auf den deutlichen Anstieg folgender Spurengase zurückzuführen:
CO2 Industrialisierung
CH4 Landwirtschaft, Industrie
N2O Landwirtschaft, NOx-Minderung
FCKW Kältemittel, Treibgas
SF6 Isoliergas, Schutzgas, noch kein signifikanter Einfluss, doch starker Anstieg der Konz.
CO2 aus fossilen Energieträgern
Zufuhr des Rohstoffgemischs zur Glasschmelze (Doghouse)
Treibhausgase und Baustoffe
� Rohstoffe
� Herstellung
� Transport
� Einsatz/Betrieb Gebäude
� Rückbau/Entsorgung
Anthropogene Methanquellen
Energieerzeugung
Wiederkäuer
Reisanbau
Müll
Verbrennung
Abfall
Andere
26 %
11 %
5 %
11 %
19 % 24 %
4 %
Beitrag der wichtigsten Klimagase zum Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)
Gas Anteil am zus. Treibhauseffekt
(in %)
Erwärmungseffekt insgesamt
(in K)
Relatives Treib-hauspotenzial1)
Relativer Anstieg pro Jahr (in %)
CO2 50 7,2 1 0,4
CH4 13 0,8 21 1,0
N2O 5 1,4 310 0,25
O3 (bodennah) 7 2,4 2 000 0,7
H2O 2) 20,6
FCKW CFCl3 5 12 400
CF2Cl2 12 15 800
weitere
0,6
0,8 K in 100 a Σ ca. 33 K
1)1 O3-Molekül mit gleicher Treibhauswirkung wie 2000 CO2-Moleküle 2)
wechselnde Mengen
Die Staaten mit dem höchsten CO2-Ausstoß 2007
Nr. Land Mio. t Anteil %
1 China 6028 20,8 2 USA 5769 19,9 3 Russland 1587 5,5 4 Indien 1324 4,6 5 Japan 1236 4,3 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 28 962 100
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
• Rückkopplungsmechanismen Treibhauseffekt und Aerosole - kleinste feste oder flüssige Schwebeteilchen
in der Luft (z. B. Nitrate, Sulfate, H2SO4, SO3, ...)
Bildung aus Luftschadstoffen (z. B. SO2, NOx aus Kohleverbrennung) oder direkte Freisetzung - Folge der industriellen Entwicklung in China und Indien - 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 CO2- Ausstoß, dann würde es sogar noch sehr viel schneller warm werden auf der Erde.
Nordindien und Bangladesh
Treibhauseffekt und Wasserdampfgehalt - Beitrag von Wasserdampf (aus Wasserkreislauf und Vulkanismus) zum natürlichen Treibhauseffekt etwa 60 %
Hauptursache des zusätzlichen Treibhauseffektes � Anstieg der Konzentra- tion der Treibhausgase CO2 und CH4 - Höhere Lufttemperatur führt zwangsläufig zur Erhöhung des mittleren Wasserdampfgehalts der Atmosphäre (Erhöhung der Verdunstungsrate, höheres Speichervermögen)
a) "Positive Rückkopplung" des Klimasystems � Verstärkung des Treibhaus- effekts 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 For- schung)
Treibhauseffekt und Methanhydrat
Chemie
- CH4 ⋅ 5,75 H2O (hoch verdichtete Form) Elementarzelle: 46 H2O + 8 CH4
- unter Normalbedingungen gilt: 1 L Gashydrat = 164 L CH4 + 0,8 L H2O Bildung
- ab etwa 20 bar, 2 - 4 °C
- ab 300 m Tiefe Arktis, 600 m Tropen (Kontinentalränder), meist 1200 - 1500 m
- Permafrostboden Sibiriens Folgen der Freisetzung
- Diffusion � Ausbruch
- Zeitskala (Lösung, Oxidation, Versauerung)
- Rückkopplungseffekt
• Auswirkungen des zusätzlichen Treibhauseffektes
- Wald- bzw. Brandrodung
- Erschließung neuer land- wirtschaftlicher Flächen
- Aufbringen mineralischer Dünger
- Verbrennung fossiler Ener- gieträger
- Produktion halogenierter Kohlenwasserstoffe
Bis zum Jahr 2100 wird eine globale Erwärmung zwischen 1,1 und 6,4 °C prognostiziert (IPCC - Intergovernmen- tal Panel on Climate Change) Anstieg um 2 - 3 °C bewirkt:
- Anstieg des Meeresspiegels um 30 - 50 cm, Abschmelzen des Eises
- Veränderte Häufigkeit, Intensität und Verteilung des Niederschlags
- Hochwasser und Überschwemmungen insbesondere in Asien
- Allgemeine Zunahme von extremen Wetterereignissen (Hitzewellen, Dür- ren, Starkregen, Stürme)