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Chemie der Atmosphäre Cornelius Zetzsch

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Präsentation zum Thema: "Chemie der Atmosphäre Cornelius Zetzsch"—  Präsentation transkript:

1 Chemie der Atmosphäre Cornelius Zetzsch

2 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

3 Aufbau der Atmosphäre (halblog. Darstellung) ~~

4 Breitling-Orbiter Wind global

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

6 Ozonanstieg Troposphäre: Hintergrund bei 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, (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:

10 I planetar. Grenzschicht (Ozean)

11 (log) US Standard Atmosphäre und Ionosphäre

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14 dP= -(PMg/RT)dz

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16 Temperaturgefälle 1.Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre) dU = dQ + dW, adiabatisch: dQ = 0 dW = - pdV dH = dU + p dV + V dp dH = V dp C p = (dH/dT) p C p dT = V dp = -V gdz, V = 1/ C p /C v = C v = 1/R pro Freiheitsgrad, C p -C v = R -dT/dz = g/c p = d (dry = trocken) = 9,8 K/km P · V const T · P ( = T · P 2/7 = T · (1000/P) 2/7 (Pot. Temp.) s = 4 K/km in Bodennähe, 6-7 K/km in 6 km Höhe (saturated = gesättigt)

17 100% 44% 38% 82% 16,5 % 1,1% 18% 0,08%

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20 O ( 3 P)/cm -3 (km)

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23 Chapman-Mechanismus O 2 + h O + Oj a O + O 2 + M O 3 + Mk b O 3 + h O 2 + Oj c O + O 3 O 2 + O 2 k d d[O 2 ]/dt = 0 (Quasistationarität) regen = [O 3 ] beob /2j a [O 2 ]; ss =¼(k b [M]/k d j a j c ) 1/2 (siehe Warneck, Chemistry of the Natural Atmosphere)

24 regen = [O 3 ]/2j O2 [O 2 ] ss = ¼(k b [M]/k d jaj c ) 1/2

25 Ozon-Breitengrade

26 O3-Lat(z) IGAC Newsl.32

27 Ozon-Strat-Trop

28 TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer, seit 1978 auf NIMBUS 7 im Umlauf MLS: Microw. Limb Sounder Sommersmog über Mittelmeer und Atlantik

29 UV-Strahlung

30 Solar irradiance vs cm cm Spektrum der Sonne außerh. d. Atmosphäre UV –Bereich I < 400 nm IR-Bereich I die Einhüllende entspricht einem schwarzen Strahler (Planck: 6000K) Wellenzahl Irradaiance (80 erg/cm 2 s cm -1 ) Sichtbarer Bereich nm

31 Log Solarstrahlung (log Wellenlänge/nm) Doppellogarithmische Darstellung! 1% Planck: d E( T)= (c 1 / 5 )[exp (c 2 / T) – 1] -1 d

32 O 2 -Abs.-Spektrum Lyman- dringt bis 75 km in die Atmos. ein Dopplerbreite ( D ): =(2 0 /c)(2RT ln2/M) 1/2 D = nm bei 1000 K ~ T 1/2 T ~ 10 6 K

33 F 10.7 – Bereich bis zu 7-25

34 Stratosphärisches Fenster

35 Eindringen der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre Abs. Ozon Fenster Abs. v. O 2 Halblogarithmische Darstellung!

36 (gedehnte Skala!)

37 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. wann ist der Himmel blau?

38 Absorption im UV/Vis/NIR durch Spurengase

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40 Plancksches Strahlungsgesetz Planck:E(,T) =(c 1 / 5 )[exp(c 2 / T) – 1 ] -1 d Wien: max = C/T Stefan-Boltzmann: E(T) = T 4 Nimbus 4 (1971) über der Sahara

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44 Strahlungsbilanz, Größe des Treibhauseffekts Kugeloberfläche: 4 r 2 Kreisfläche: r 2 (1- ) S 0 /4 = T e 4 (Stefan-Boltzmann) mit Albedo = 0,3 ergibt sich: T Gleichgewicht = 255 K, Beobachtet am Boden wird T Global =288K, also ist T = 33K der Treibhauseffekt Solarkonstante

45 > 15% ice coverage = sea-ice

46 IPCC2007

47 Methan, was ist da los?

48 CO 2

49 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.

50 Bewaldung global

51 CH 4

52 N2O

53 FCKW

54 OH-Trends?? Das hier ist wohl Unsinn, meint C.Z. jedenfalls, weil er noch einigen Vorrat an CH 3 CCl 3 hat

55 Sonnenzyklus

56 Vulkanausbrüche

57 Wissensstand IPCC2002

58 Forcing IPCC 2007

59 Probability Probability - Level of Scientific Understanding


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