Chemie der Atmosphäre

Cornelius Zetzsch

cornelius.zetzsch@uni-bayreuth.de

Die dünne Haut der Atmosphäre (ca. 10 km dick)

- zu erkennen an der bläulichen Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4 Aerosolpartikel und Wolken an der weißlichen Mie-Streuung: σM~ λ-1.3

Aufbau der Atmosphäre (halblog. Darstellung)

~ ~

Breitling-Orbiter

Wind global

NASA, 2006

Windgeschwindigkeiten in der planetar. Grenzsch. Seesalzaerosolpartikel nur in Mischungsschicht bis800 m über dem Meer

Globale Quellstärke:

1 Milliarde t / Jahr

Wind global

3.5 8 14 m/s

Ozonanstieg Troposphäre: Hintergrund bei europäischen Bergstationen seit 1870

O3-Loch NH, SH

Lehrbücher, älter und teils hervorragend:

P. A. Leighton: Photochemistry of Air Pollution, Acad. Press, New York, 1961 (der „Klassiker“)M.J. McEwan, L.F. Pillips: Chemistry of the Atmosphere. Edward Arnold, London 1975 (Ergebnisse aus Raketenflügen)J. Heicklen: Atmospheric Chemistry, Academic Press, New York, 1976 (leider veraltet; Rolle von OH nicht erkannt)

T.E. Graedel: Chemical Compounds in the Atmosphere, Academic Press, New York 1978T.E: Graedel, D. T. Hawkins, L.T. Claxton: Atmospheric Chemical Compounds: Sources, Occurrence, and Bioassay. Academic Press, Orlando, 1986I.M. Campbell: Energy and the Atmosphere, Wiley, New Yoork, 1986G. Brasseur, S. Solomon, Aeronomy of the Middle Atmosphere, Reidel, 1986R.C. Flagan, J.M. Seinfeld, Fundamentals of Air Pollution Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1988R. Wayne, Chemistry of Atmospheres (Introd. Earth, Planets and their Satellites), Oxford University Press, 2. Aufl., 1991P. Fabian, Atmosphäre und Umwelt, Springer, Berlin, 4. Aufl. 1992

Aktuelle Bücher:

B. Finlayson-Pitts, J.N. Pitts: Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere,Academic Press,1999 (ein sehr vollständiges und vielseitiges Lehrbuch und zugleich Nachschlagewerk und gut verständlich)

J.H. Seinfeld, S. Pandis: Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley, 1998.(preisgünstiges Paperback, modern, sehr kreativ, physikalisch)

R. Zellner (Hrsg.) Global Aspects of Atmospheric Chemistry, Topics in Physical Chemistry 6, Steinkopff/Springer, 1999 (hervorragende und gut verständliche Übersichtsartikel)

P. Warneck: Chemistry of the Natural Atmosphere, 2. Auflage, Academic Press, 1999 (ausgezeichnet natürl. Zusammenhänge erklärend).

D. Möller: Luft, Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung,de Gruyter, 2003 (leider viele Fehler).Chemie in unserer Zeit Themenheft „Atmosphärenchemie“, 2007

Homepage: www.igac.noaa.gov/newsletter/

I planetar. Grenzschicht (Ozean)

(log)

US Standard Atmosphäre und Ionosphäre

dP= -(PMg/RT)dz

Temperaturgefälle

1. Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre)dU = dQ + dW, adiabatisch: dQ = 0 dW = - pdVdH = dU + p dV + V dp dH = V dp

Cp = (dH/dT)p

Cp dT = V dp = -Vgdz, V = 1/Cp/Cv = Cv = 1/R pro Freiheitsgrad, Cp-Cv = R

-dT/dz = g/cp = d (dry = trocken) = 9,8 K/kmP · VconstT · P(=T · P2/7 = T · (1000/P)2/7 (Pot. Temp.)

s = 4 K/km in Bodennähe, 6-7 K/km in 6 km Höhe (saturated = gesättigt)

100% 44% 38% 82%16,5%

1,1% 18%0,08%

O (3P)/cm-3

(km)140

130

120

110

100

90

80108 109 1010 1011

Chapman-Mechanismus

O2 + h O + O jaO + O2 + M O3 + M kb

O3 + h O2 + O jcO + O3 O2 + O2 kd

d[O2]/dt = 0 (Quasistationarität)

regen= [O3]beob/2ja[O2]; ss=¼(kb[M]/kdjajc)1/2

(siehe Warneck, Chemistry of the Natural Atmosphere)

regen= [O3]/2jO2[O2]

ss= ¼(kb[M]/kdjajc)1/2

Ozon-Breitengrade

O3-Lat(z) IGAC Newsl.32

Ozon-Strat-Trop

TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer, seit 1978 auf NIMBUS 7 im Umlauf

MLS: Microw. Limb Sounder http://mls.jpl.nasa.gov/

Sommersmog über Mittelmeer und Atlantik

UV-Strahlung

Solar irradiance vs cm-1

0 10000 20000 30000 40000 50000 cm-1

1.0

0.5

Spektrum der Sonne außerh. d. Atmosphäre

UV –Bereich

I < 400 nm

IR-Bereich I

die Einhüllendeentspricht einemschwarzen Strahler (Planck: 6000K)

Wellenzahl

Irra

daia

nce

(80

erg/

cm2

s cm

-1)

Sichtbarer Bereich 400-650 nm

Log Solarstrahlung (log Wellenlänge/nm)

DoppellogarithmischeDarstellung!

1%

Planck: d E(T)=(c1/5)[exp (c2/T) – 1]-1 d

O2-Abs.-Spektrum

Lyman- dringt bis75 km in die Atmos.ein

Dopplerbreite (D):=(20/c)(2RT ln2/M)1/2

D = 0.0003 nmbei 1000 K~ T1/2

T ~ 106 K

F10.7 – Bereich bis zu 7-25

Stratosphärisches Fenster

Eindringen der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre

Abs.Ozon

F

enst

er

Abs.v. O2

HalblogarithmischeDarstellung!

(gedehnte Skala!)

Lichtstreuung, Ozon,

Gase, Aerosol

ln (

I 0/I

)

bläuliche Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4

weißliche Mie-Streuung: σM~ λ-1.3

Ozon-Absorption

Warum,bzw. wannist der Himmel blau?

Absorption im UV/Vis/NIR durch Spurengase

Planck‘sches Strahlungsgesetz

Planck:E(,T)=(c1/5)[exp(c2/T) – 1 ]-1 d

Wien: max = C/T

Stefan-Boltzmann: E(T) = T4

Nimbus 4(1971) überder Sahara

Strahlungsbilanz, Größe des Treibhauseffekts

Kugeloberfläche: 4r2

Kreisfläche: r2

(1-) S0/4 = Te4 (Stefan-Boltzmann)

mit Albedo = 0,3 ergibt sich:TGleichgewicht = 255 K, Beobachtet am Boden wird TGlobal=288K,also ist T = 33K der Treibhauseffekt

Solarkonstante

> 15% ice coverage = sea-ice

IPCC2007

Methan, was ist da los?

CO2

Strahlungskühlung

Clough, S.A., and M.J. Iacono, Line-by-line calculations of atmospheric fluxes and cooling rates II:  Application to carbon dioxide, ozone, methane, nitrous oxide, and the halocarbons. J. Geophys. Res., 100, 16,519-16,535, 1995.

Bewaldung global

CH4

N2O

FCKW

OH-Trends?? Das hier ist wohlUnsinn, meintC.Z. jedenfalls,weil er noch einigen Vorrat an CH3CCl3 hat

Sonnenzyklus

Vulkanausbrüche

Wissensstand

IPCC2002

Forcing IPCC 2007

Probability

Probability - Level of Scientific Understanding