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)