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

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

2 Die dünne Haut der Atmosphäre (ca
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

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 m/s NASA, 2006 Wind global

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, 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:

10 I planetar. Grenzschicht (Ozean)

11 US Standard Atmosphäre und Ionosphäre
(log)

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14 dP= -(PMg/RT)dz

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16 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)

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

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20 (km) 140 130 120 110 100 90 80 O (3P)/cm-3

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23 Chapman-Mechanismus O2 + hn  O + O ja O + O2 + M  O3 + M kb
(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

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

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

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

32 Lyman-a dringt bis 75 km in die Atmos. ein T ~ 106 K
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 = nm bei 1000 K ~ T1/2

33 F10.7 – Bereich bis zu 7-25

34 Stratosphärisches Fenster

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

36 (gedehnte Skala!)

37 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 Lichtstreuung, Ozon, Gase, Aerosol

38 Absorption im UV/Vis/NIR durch Spurengase

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

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44 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

45 > 15% ice coverage = sea-ice

46 IPCC2007

47 Methan, was ist da los?

48 CO2

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 CH4

52 N2O

53 FCKW

54 OH-Trends?? Das hier ist wohl Unsinn, meint C.Z. jedenfalls,
weil er noch einigen Vorrat an CH3CCl3 hat

55 Sonnenzyklus

56 Vulkanausbrüche

57 Wissensstand IPCC2002

58 IPCC 2007 Forcing

59 Probability - Level of Scientific Understanding