chemie der atmosphäre
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Chemie der Atmosphäre. Cornelius Zetzsch [email protected]. 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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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