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Martin Schultz, Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg Chemie in der Atmosphäre.

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Präsentation zum Thema: "Martin Schultz, Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg Chemie in der Atmosphäre."—  Präsentation transkript:

1 Martin Schultz, Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg Chemie in der Atmosphäre

2 Einleitung Zusammensetzung der Atmosphäre Physikalische Grundlagen Konzentrationen und Mischungsverhältnisse Koordinaten: Dr. Martin Schultz Max Planck Institut für Meteorologie ZMAW Neubau, 4.OG, Raum 431 Tel.: (040) 41173 308 Email: martin.schultz@dkrz.de Termine (Do 16-18 Uhr): 8.4. 15.4. 22.4. 29.4. 6.5. 13.5. ? 20.5. – 27.5. 3.6. – 10.6. – 17.6. 24.6. – 1.7. 8.7.

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4 Zusammensetzung der Atmosphäre Stick- stoff Sauer- stoff H 2 O Argon 20% 78% 1% N2ON2O 310 H2H2 CO Ozon 500 100 30 ppb CO 2 CH 4 (1.8) ppm 380 Ne 18 He (5) HCHO 300 Ethan SO 2 NO x 500 200 100 ppt NH 3 400 CH 3 OOH 700 H2O2H2O2 500 HNO 3 300 andere

5 Bedeutung der Atmosphäre für die Geochemie

6 Molare Masse von Luft und anderen Gasen Hauptbestandteile der (trockenen) Luft: µ air = µ i i / = 28.96 g mol -1 StoffAnteilmolare Masse N2N2 78.08%14.01 O2O2 20.95%32.00 Ar0.93%39.95 CO 2 0.03%44.08 O3O3 10-200 ppb48.00 NO 2 0.001-100 ppb46.01 SO 2 0.01-100 ppb64.06 CO40-2000 ppb28.01 Weitere Bestandteile:

7 Die ideale Gasgleichung Annahme: Gas ist unendlich kompressibel Dann gilt: bzw.: Beispiele: Luftdruck am Boden: 1000 hPa, T=280 K =1.244 kg m -3 Stratosphäre p=10 hPa, T=230 K =0.015 kg m -3 R = 8.314 J mol -1 K -1 R ist die universelle Gaskonstante in (trockener) Luft: R = R/µ air = 287.05 J kg -1 K -1 Aufgaben: 1.Berechne die Gaskonstante R für Wasserdampf (µ H2O = 18.016 g mol -1 ) 2.Berechne die Gaskonstante R für Venus (96% CO 2 und 3% N 2, 1% SO 2 ) 3.Um wieviel ändert sich die Gaskonstante R bei maximaler Luftfeuchte in den Tropen (3% H 2 O)?

8 Konzentration atmosphärischer Bestandteile i = m i /V ist die Moleküldichte (molecular density) eines Luftbestandteils. SI-Einheit: kg m -3, oft g m -3 (z.B. Daten aus Luftmessnetz). Die Moleküldichte wird oft auf Standarddruck und -temperatur normiert: sind Dichte und Druck additiv: Für ein ideales Gas Die Einheit wird dann als kg m -3 stp angegeben (stp=standard temperature and pressure, T 0 = 273 K, p 0 = 101325 Pa) p i heisst Partialdruck und wird z.B. zur Angabe stratosphärischer Ozonkonzentrationen verwendet. Umrechnung: p i = i R T

9 Massen- und Volumenmischungsverhältnis Aus dem Partialdruck oder der Moleküldichte ergibt sich einfach das Massenmischungsverhältnis (Einheit: kg/kg):... und daraus der Molenbruch = Volumenmischungsverhältnis) (SI-Einheit: mol/mol, oft benutzt: %, Promille, ppmv, ppbv, pptv):

10 Beispiele für Spurenstoffkonzentrationen Abendblatt, 8.4.2004 – Messungen für 7.4.2004 Schwebstaub (Aerosole): 10 µg m -3 (Grenzwert: 250) SO 2 : 3 µg m -3 (300) NO 2 : 25 µg m -3 (100) NO: 6 µg m -3 (500) CO: 265 µg m -3 (10000) O 3 : 58 µg m -3 (180) Wetterlage: feuchtkalt, bewölkt Annahme: T=280 K, p=1000 hPa Aufgaben: 4. Berechne die Partialdrücke für diese Konzentrationen (außer Schwebstaub) 5. Berechne die Massen- und Volumenmischungsverhältnisse 6. Welchem Partialdruck und Volumenmischungsverhältnis würde die gemessene Bodenozonkonzentration in der Stratosphäre (p=5 hPa, T=250 K) entsprechen?

11 Konzentrationsbereich Stickoxide Hamburg, 8.4.2004 Süd-Pazifik, März 1999 NO x = NO+NO 2 volume mixing ratio [ppb]

12 Teilchenzahldichte Schliesslich benutzt man manchmal auch die Teilchenzahldichte (Einheit Moleküle m -3, oft auch Moleküle cm -3 ): Die Teilchenzahldichte von Luft ist gegeben durch: Dabei ist N A = 6.0225·10 23 Moleküle mol -1 die Avogardozahl. k B heisst Boltzmannkonstante. Aufgaben: 7. Wie viele mol Luft enthält 1 m 3 bei T=280 K und p=1000 hPa? 8. Was ergibt sich daraus für eine Luftdichte?

13 Zonaler Schnitt T-Profil from Warneck, 1980

14 Beispiele Aufgaben: 9.Eine Ozonsonde misst einen Partialdruck von 6·10 -3 Pa bei einem Luftdruck von 20 hPa. Berechne das Volumenmischungsverhältnis und die Teilchenzahldichte (T=225K). 10. Um wieviel ändert sich die Dichte trockener Luft, wenn 2% Wasserdampf hinzugefügt werden? 11. Berechne die Teilchenzahldichte von Luft für verschiedene Punkte der Atmosphäre (benutze die Abbildung Zonaler Schnitt T-Profil um Temperaturen und Drücke zu bestimmen): a) polare Breiten am Boden im Winter/Sommer b) mittlere Breiten in Bodennähe c) Äquator in Bodennähe d) Tropopause (dicke gestrichelte Linie) in mittleren Breiten e) Tropopause am Äquator f) am tropischen Temperaturmaximum in der Stratosphäre im Januar

15 Einheiten und Konstanten Volumenmischungsverhältnis: 1 ppmv = 1 mol/mol = 10 -6 mol/molparts per million 1 ppbv = 1 nmol/mol = 10 -9 mol/molparts per billion 1 pptv = 1 pmol/mol = 10 -12 mol/molparts per trillion Konstanten: durchschnittlicher Erdradius a = 6.37·10 6 m Erdbeschleunigung g = 9.80665 m s -2 Avogardozahl N A = 6.0225 ·10 23 molec./mol Molekulargewicht von (trockener) Luft m air = 28.97 g mol -1 Dichte (trockener) Luft bei 273K und 1013.25 hPa air = 1.293 kg m -3 spezifische Wärme von Luft c p = 1004 J kg -1 K -1, c v = 717 J kg -1 K -1 universelle Gaskonstante R = 8.3143 J K -1 mol -1 Gaskonstante von Luft R = c p - c v = 287.05 J K -1 kg -1 Kappa = R/c p = 0.285 Latente Wärme von Wasser (0°C) L = 2.5·10 6 J kg -1

16 Bibliographie - Allgemeine Lit. Hartmann, D.L., Global Physical Climatology, Academic Press, San Diego,..., 1994. Warneck, P., Chemistry of the Natural Atmosphere, International Geophysics Series, Academic Press, 1988. Seinfeld, J., and Pandis, S., Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, Wiley, New York, …, 1998. Finnlayson-Pitts, B., and Pitts, Atmospheric Chemistry: Fundamentals and Experimental Techniques, Wiley, New York, …, 1986. Jacob, D., Introduction to Atmospheric Chemistry, Princeton University Press, 1999. online at: http://www-as.harvard.edu/people/faculty/djj/book/


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