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Chemie der Atmosphäre

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: σ R ~ λ -4 Aerosolpartikel und Wolken an der weißlichen Mie-Streuung: σ M ~ λ -1.3.

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Presentation Transcript

  1. Chemie der Atmosphäre Cornelius Zetzsch cornelius.zetzsch@uni-bayreuth.de

  2. Die dünne Haut der Atmosphäre (ca. 10 km dick) - zu erkennen an der bläulichen Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4Aerosolpartikel und Wolken an der weißlichen Mie-Streuung: σM~ λ-1.3

  3. Aufbau der Atmosphäre (halblog. Darstellung) ~ ~

  4. Breitling-Orbiter Wind global

  5. Windgeschwindigkeiten in der planetar. Grenzsch. Seesalzaerosolpartikel nur in Mischungsschicht bis 800 m über dem Meer Globale Quellstärke: 1 Milliarde t / Jahr Wind global 3.5 8 14 m/s NASA, 2006

  6. Ozonanstieg Troposphäre: Hintergrundbei europäischen Bergstationen seit 1870

  7. O3-Loch NH, SH

  8. 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 1978 T.E: Graedel, D. T. Hawkins, L.T. Claxton: Atmospheric Chemical Compounds: Sources, Occurrence, and Bioassay. Academic Press, Orlando, 1986 I.M. Campbell: Energy and the Atmosphere, Wiley, New Yoork, 1986 G. Brasseur, S. Solomon, Aeronomy of the Middle Atmosphere, Reidel, 1986 R.C. Flagan, J.M. Seinfeld, Fundamentals of Air Pollution Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1988 R. Wayne, Chemistry of Atmospheres (Introd. Earth, Planets and their Satellites), Oxford University Press, 2. Aufl., 1991 P. Fabian, Atmosphäre und Umwelt, Springer, Berlin, 4. Aufl. 1992

  9. 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/

  10. I planetar. Grenzschicht (Ozean)

  11. US Standard Atmosphäre und Ionosphäre (log)

  12. dP= -(PMg/RT)dz

  13. Temperaturgefälle • Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre) dU = dQ + dW, adiabatisch: dQ = 0 • dW = - pdV dH = dU + p dV + V dp  dH = V dp Cp = (dH/dT)p Cp dT = V dp = -Vrgdz, V = 1/r Cp/Cv = k, Cv = 1/R pro Freiheitsgrad, Cp-Cv = R -dT/dz = g/cp =Gd (dry = trocken) = 9,8 K/km P · Vk = const T · P(k-1)/k=T · P2/7 (k=1,4),  = T · (1000/P)2/7 (Pot. Temp.) Gs = 4 K/km in Bodennähe, 6-7 K/km in 6 km Höhe (saturated = gesättigt)

  14. 100% 44% 38% 82% 16,5% 1,1% 18% 0,08%

  15. (km) 140 130 120 110 100 90 80 O (3P)/cm-3 108 109 1010 1011

  16. Chapman-Mechanismus (siehe Warneck, Chemistry of the Natural Atmosphere) O2 + hn O + O ja O + O2 + M  O3 + M kb O3 + hn  O2 + O jc O + O3  O2 + O2 kd d[O2]/dt = 0 (Quasistationarität) tregen= [O3]beob/2ja[O2]; tss=¼(kb[M]/kdjajc)1/2

  17. tss= ¼(kb[M]/kdjajc)1/2 tregen= [O3]/2jO2[O2]

  18. Ozon-Breitengrade

  19. O3-Lat(z) IGAC Newsl.32

  20. Ozon-Strat-Trop

  21. 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

  22. UV-Strahlung

  23. Solar irradiance vs cm-1 1.0 IR-Bereich I Spektrum der Sonne außerh. d. Atmosphäre Sichtbarer Bereich 400-650 nm UV –Bereich I l < 400 nm Irradaiance (80 erg/cm2 s cm-1) 0.5 die Einhüllende entspricht einem schwarzen Strahler (Planck: 6000K) 0 10000 20000 30000 40000 50000 cm-1 Wellenzahl

  24. Log Solarstrahlung (log Wellenlänge/nm) 1% Planck: d E(l,T)= (c1/l5)[exp (c2/lT) – 1]-1 dl Doppellogarithmische Darstellung!

  25. O2-Abs.-Spektrum Lyman-a dringt bis 75 km in die Atmos. ein T ~ 106 K Dopplerbreite (DnD): =(2n0/c)(2RT ln2/M)1/2 DnD = 0.0003 nm bei 1000 K ~ T1/2

  26. F10.7 – Bereich bis zu 7-25

  27. Stratosphärisches Fenster

  28. Eindringen der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre Halblogarithmische Darstellung! Abs. Ozon  Fenster Abs. v. O2

  29. (gedehnte Skala!)

  30. Lichtstreuung, Ozon, Gase, Aerosol Warum, bzw. wann ist der Himmel blau? bläuliche Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4 weißliche Mie-Streuung: σM~ λ-1.3 ln (I0/I) Ozon- Absorption

  31. Absorption im UV/Vis/NIR durch Spurengase

  32. Nimbus 4 (1971) über der Sahara Planck‘sches Strahlungsgesetz Planck:E(l,T) =(c1/l5)[exp(c2/lT) – 1 ]-1 dl Wien: lmax = C/T Stefan-Boltzmann: E(T) = sT4

  33. Strahlungsbilanz, Größe des Treibhauseffekts Solarkonstante Kugeloberfläche: 4pr2 Kreisfläche:pr2 (1-a) S0/4 = s Te4 (Stefan-Boltzmann) mit Albedo a = 0,3 ergibt sich: TGleichgewicht = 255 K, Beobachtet am Boden wird TGlobal=288K, also ist DT = 33K der Treibhauseffekt

  34. > 15% ice coverage = sea-ice

  35. IPCC2007

  36. Methan, was ist da los?

  37. CO2

  38. 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.

  39. Bewaldung global

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