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Prof. Dudley Shallcross, ACRG
Tim Harrison, Bristol ChemLabS
2008
Die Geschichte eines Schadstoffs
German translation: Feb. 23, 2015German translation: Feb. 23, 2015
2 Übersicht des VortragsÜbersicht des Vortrags• Vergleich der Erde mit
anderen Planeten
• Stickstoff und Sauerstoff
• Verlauf der Temperatur
• Troposphärische Schadstoffe
3Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten
Jupiter H2 (93%) He (7%) CH4 (0,3 %)
Saturn H2 (96%) He (3%) CH4 (0,45 %)
Uranus H2 (82%) He (15%) CH4 (2,3 %)
Neptun H2 (80%) He (19%) CH4 (1-2 %)
Venus CO2 (96%) N2 (3,5%) SO2 (0,015 %)
Mars CO2 (95%) N2 (2,7%) Ar (1,6 %)
Erde N2 (78%) O2 (21%) Ar (0,93 %)
4 Stickstoff (N2)
NN Bindungsenergie = 944 kJ/mol
78% unserer Atmosphäre sind inert
Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei – 196 OC
Farb- und geruchlos
TGH
5
BakterienhaufenFoto: Dr. Hazel Mottram
6 Sauerstoff (O2)
O=O Bindungsenergie = 496 kJ/mol
21% der Atmosphäre
Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei -183 OC
Farb- und geruchlos
Photosynthese ist die Hauptquelle für O2:
6CO2 + 6H2O + Sonnenlicht C6H12O6 + 6O2
2H2O2 2H2O + O2
TGH
7
“Spirale des Lebens”
Foto: Dr. Adrian Mulholland
8
(Thermosphäre)(Thermosphäre)
(Mesosphäre)(Mesosphäre)
(Stratosphäre)(Stratosphäre)
(Ozon(Ozon Maximum)Maximum)
(Troposphäre)(Troposphäre)
Höh
e
Temperatur
9 Chemie der Luft in der Stadt10 km
NO, NO2, VOC
VOC
?
0 kmStoffe biogenen und menschlichen Ursprungs
1 km
Die Tropopause
Die Grenzschicht
10Was passiert mit den flüchtigen Kohlenwassertstoffen
(VOC, volatile organic compounds)?
• Pflanzen, darunter Bäume, emittieren eine breite Palette an
organischen Stoffen: Alkene, Alkohole, Carbonyle (Aldehyde,
Ketone), Säuren
• Fahrzeuge emittieren Kohlenwasserstoffe und aromatische Spezies
Viele dieser Stoffe sind wasserunlöslich und werden nicht
ausgeregnet; Wie werden sie aus der Atmosphäre entfernt?
TGH
11 Verbrennung bei hoher Temperatur
VOC können in Luft oxidiert (verbrannt) werden nach
folgender Reaktionsgleichung (Beispiel):
CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2
C2H2 + (5/2)O2 2CO2 + H2O
CH3OH + (3/2)O2 CO2 + 2H2O
Die Atmosphäre oxidiert VOC mithilfe freier Radikale
12
O3 + Sonnenlicht O * + O2 < ~ 330 nm
O* + H2O OH + OH
OH + R-H R + H2O
VOC werden vom OH Radikal abgebaut,
welches sich aus Sonnenlicht bildet
13 Messung von Stickoxiden in der Luft von Bristol
Verbrennung ist die Hauptquelle von NO2
(NO wird in der Luft zu NO2 oxidiert) TGH
NO Bristol 20th January 2001
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Hour
NO
pp
b
Messung von NO am 20.01.2001 in Bristol
Stunde
NO
(pp
b)
14
NO2 + Sonnenlicht O * + NO < ~ 400 nm
O* + O2 O3
TGH
Photochemischer Smog
15 Photochemischer Smog in Bristol: 27/07/2001
Ozone episode 27th July 2001 Bristol area
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
hour of day
NO
an
d O
3 p
pb
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
CO
pp
m
NO
O3
CO
NO
und
O3 (
ppb)
CO
(pp
m)
Stunde
16 CO2 Messungen in Bristol
CO2 wurde über mehrere Jahre im Old Park Hill gemessen.
17 CO2 Messungen in Bristol
CO2 Minima (Stundenwerte)
Datum
18 Langzeitmessungen von CO2
CO2 Messungen
wurden bei Mauna
Loa (Hawaii) für einige
Jahre durchgeführt.
Man erkennt einen
stetigen Anstieg.
CO2 Gehalt der Luft bei Mauna Loa (ppm)
19 Der verstärkte Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt
Ein Großteil der Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmt diese
Ein Teil der Strahlung wird von der Erde und der Atmosphäre reflektiert
Infrarotstrahlung wird von der Erdoberfläche emittiert
Ein Teil der Infrarotstrahlung passiert die Atmosphäre, und ein Teil wird von Treibhaus-gasen absorbiert und in alle Richtungen re-emittiert. In der Folge erwärmen sich die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre
Sonnen-strahlung passiert die klare Atmosphäre
20
Secrets in the Ice
• Schnee “vergräbt” und archiviert Nachweise für
Zustände der Umwelt.
• Er wird zu Eis verdichtet und koserviert die Daten.
• Man kann nach Eiskernen und Daten bohren.
Geheimnisse im Eis
21 CO2 Niveau der letzten 1000 Jahre
Gase werden aus eingeschlossenen Blasen extrahiert (diese sind in den Eiskernen “gefangen”). Sie geben Aufschluss über
die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre.
CO
2 Geh
alt (
ppm
)
Jahr
Südpol
22
FroschchorFoto: Dr. Simon Hall
23 Methan (CH4) and Lachgas (N2O)
JahrJahr
CH
4 (
ppb)
N2O
(pp
b)
Str
ahlu
ngsa
ntrie
b (W
/m²)
Str
ahlu
ngsa
ntrie
b (W
/m²)
Global (errechnet)
Jahr
24Anstieg der globalen Temperatur
Tem
per
atur
ände
rung
(°C
)
Mittlere Oberflächentemperatur der Luft (Jahresmittel), relativ zum Ende des 19. Jahrhunderts
25 Auswirkungen der globalen Erwärmung
• Änderungen– Niederschläge– Meeresniveau– Extrema im Wetter
19412004
26
Modellrechnungen des jüngeren Klimas
Nur natürliche Treiber(Variabilität von Sonne,
Vulkanen, etc.)
Nur anthropogene Treiber (Änderungen, die durch
menschliches Handeln bedingt sind)
The Met Office
Tem
per
atur
anom
alie
(°C
)
Tem
per
atur
anom
alie
(°C
)
Simulation (Modell)Messungen
Simulation (Modell)Messungen
27 Berechnete globale Erwärmung von 1860-2000:Natürliche und menschenbedingte Faktoren
Gemessen
Simulation (Modell)
Tem
pera
ture
ris
e
o C
0,0
0,5
1,0
1850 1900 1950 2000
Hadley CentreTem
pera
tura
nstie
g (°
C)
28Impacts of Climate on the world: Temperature
Änderungen der mittleren Oberflächenlufttemperaturen Dezember-Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)
Einheit: °C Mittelwert: 3,3; Minimum: -0,3; Maximum: 17,7
Einfluss des Klimas auf die Welt: Temperatur
29Impacts of Climate on the World: RainfallEinfluss des Klimas auf die Welt: Niederschläge
Änderungen der mittleren Niederschläge Dezember-Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)
Einheit: mm pro Tag Mittelwert: 0,2; Minimum: -6,0; Maximum: 8,5
Stabilisierungs-Keile
wedgewedge = Keil= Keil
Jahr
JahrE
mis
sion
en v
on f
ossi
len
Tre
ibst
offe
n (G
tC/J
ahr)
Em
issi
onen
von
fos
sile
n T
reib
stof
fen
(GtC
/Jah
r)
Stabilisierungs-dreieck
Weitere CO2 Emissionen von fossilen Treibstoffen
GtC = Gigatonnen Kohlenstoff = 109 Tonnen C
Szenario 1: 1,5% pro Jahr exponentielles Wachstum
Szenario 2: Stabilisierung bei 500 ppm CO2 in der Atmosphäre
Szenario 1
Szenario 2
50 Jahre 1 G
tC/J
ahr
In Summe 25 GtC
20552005
14
7
Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr
1955
0
Historische Emissionen
2105
Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien
20552005
14
7
1955
02105
Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien
Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr
Historische Emissionen
14
7
0
Derzeit v
orherg
esagter Pfad
Flacher Pfad
205520051955 2105
Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr
Historische Emissionen
14
7
0
Stabilisierungs- dreieck
Einfaches CO2 Ziel
~850 ppm
Härteres CO2 Ziel
~500 ppm
205520051955 2105
Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr
Historische Emissionen
Derzeit v
orherg
esagter Pfad
Flacher Pfad
14
7
0
14 GtC/Jahr
7 GtC/Jahr
Sieben “Keile”
205520051955 2105
Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr
Historische Emissionen
Derzeit v
orherg
esagter Pfad
Flacher Pfad
Heute verfügbare Technologien für die Keile
• Verbesserung der Treibstoffeffizienz• Reduktion der Abhängigkeit von PKW• Energieeffizientere Gebäude• Effizientere Kraftwerke• Weniger Kohlenstoff für Strom und Treibstoffe
(“Dekarbonisierung”)• Ersatz von Kohle durch Erdgas• Kernspaltung• Windstrom• Photovoltaik• Biotreibstoffe• Carbon capture and storage (CCS, Kohlenstoff-
Abscheidung und –Speicherung)
37Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten
Jupiter H2 (93%) He (7%) CH4 (0,3 %)
Saturn H2 (96%) He (3%) CH4 (0,45 %)
Uranus H2 (82%) He (15%) CH4 (2,3 %)
Neptun H2 (80%) He (19%) CH4 (1-2 %)
Venus CO2 (96%) N2 (3,5%) SO2 (0,015 %)
Mars CO2 (95%) N2 (2,7%) Ar (1,6 %)
Erde N2 (78%) O2 (21%) Ar (0,93 %)
TGH
38 Danksagung
Bristol ChemLabS
British Council
Sci Fest Africa 2008
http://www.chemlabs.bris.ac.uk/outreach