Prof. Dudley Shallcross, ACRG Tim Harrison, Bristol ChemLabS 2008 Die Geschichte eines Schadstoffs.

Präsentation zum Thema: "Prof. Dudley Shallcross, ACRG Tim Harrison, Bristol ChemLabS 2008 Die Geschichte eines Schadstoffs."—  Präsentation transkript:

1 Prof. Dudley Shallcross, ACRG Tim Harrison, Bristol ChemLabS 2008 Die Geschichte eines Schadstoffs

2 2 Übersicht des Vortrags Vergleich der Erde mit anderen Planeten Stickstoff und Sauerstoff Verlauf der Temperatur Troposphärische Schadstoffe

3 3

4 4 Stickstoff (N 2 ) N  N Bindungsenergie = 944 kJ/mol 78% unserer Atmosphäre sind inert Gasförmig bei 25 O C, flüssig bei – 196 O C Farb- und geruchlos TGH

5 5 Bakterienhaufen Foto: Dr. Hazel Mottram

6 6 Sauerstoff (O 2 ) O=O Bindungsenergie = 496 kJ/mol 21% der Atmosphäre Gasförmig bei 25 O C, flüssig bei -183 O C Farb- und geruchlos Photosynthese ist die Hauptquelle für O 2 : 6CO 2 + 6H 2 O + Sonnenlicht  C 6 H 12 O 6 + 6O 2 2H 2 O 2  2H 2 O + O 2 TGH

7 7 “Spirale des Lebens” Foto: Dr. Adrian Mulholland

8 8 Höhe Temperatur

9 9 Chemie der Luft in der Stadt 10 km NO, NO 2, VOC VOC ? 0 km Stoffe biogenen und menschlichen Ursprungs 1 km Die Tropopause Die Grenzschicht

10 10 Was passiert mit den flüchtigen Kohlenwassertstoffen (VOC, volatile organic compounds)? Pflanzen, darunter Bäume, emittieren eine breite Palette an organischen Stoffen: Alkene, Alkohole, Carbonyle (Aldehyde, Ketone), Säuren Fahrzeuge emittieren Kohlenwasserstoffe und aromatische Spezies Viele dieser Stoffe sind wasserunlöslich und werden nicht ausgeregnet; Wie werden sie aus der Atmosphäre entfernt? TGH

11 11 Verbrennung bei hoher Temperatur VOC können in Luft oxidiert (verbrannt) werden nach folgender Reaktionsgleichung (Beispiel): CaC 2 + 2H 2 O  Ca(OH) 2 + C 2 H 2 C 2 H 2 + (5/2)O 2  2CO 2 + H 2 O CH 3 OH + (3/2)O 2  CO 2 + 2H 2 O Die Atmosphäre oxidiert VOC mithilfe freier Radikale

12 12 VOC werden vom OH Radikal abgebaut, welches sich aus Sonnenlicht bildet

13 13 Messung von Stickoxiden in der Luft von Bristol Verbrennung ist die Hauptquelle von NO 2 (NO wird in der Luft zu NO 2 oxidiert) TGH Messung von NO am 20.01.2001 in Bristol Stunde NO (ppb)

14 14 NO 2 + Sonnenlicht  O * + NO < ~ 400 nm O* + O 2  O 3 TGH Photochemischer Smog

15 15 Photochemischer Smog in Bristol: 27/07/2001 NO und O 3 (ppb) CO (ppm) Stunde

16 16 CO 2 Messungen in Bristol CO 2 wurde über mehrere Jahre im Old Park Hill gemessen.

17 17 CO 2 Messungen in Bristol CO 2 Minima (Stundenwerte) Datum

18 18 Langzeitmessungen von CO 2 CO 2 Messungen wurden bei Mauna Loa (Hawaii) für einige Jahre durchgeführt. Man erkennt einen stetigen Anstieg. CO 2 Gehalt der Luft bei Mauna Loa (ppm)

19 19 Der verstärkte Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Ein Großteil der Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmt diese Ein Teil der Strahlung wird von der Erde und der Atmosphäre reflektiert Infrarotstrahlung wird von der Erdoberfläche emittiert Ein Teil der Infrarotstrahlung passiert die Atmosphäre, und ein Teil wird von Treibhaus- gasen absorbiert und in alle Richtungen re- emittiert. In der Folge erwärmen sich die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre Sonnen- strahlung passiert die klare Atmosphäre

20 20 Secrets in the Ice Schnee “vergräbt” und archiviert Nachweise für Zustände der Umwelt. Er wird zu Eis verdichtet und koserviert die Daten. Man kann nach Eiskernen und Daten bohren. Geheimnisse im Eis

21 21 CO 2 Niveau der letzten 1000 Jahre Gase werden aus eingeschlossenen Blasen extrahiert (diese sind in den Eiskernen “gefangen”). Sie geben Aufschluss über die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre. CO 2 Gehalt (ppm) Jahr Südpol

22 22 Froschchor Foto: Dr. Simon Hall

23 23 Methan (CH 4 ) and Lachgas (N 2 O) Jahr CH 4 (ppb) N 2 O (ppb) Strahlungsantrieb (W/m²) Global (errechnet) Jahr

24 24 Anstieg der globalen Temperatur Temperaturänderung (°C) Mittlere Oberflächentemperatur der Luft (Jahresmittel), relativ zum Ende des 19. Jahrhunderts

25 25 Auswirkungen der globalen Erwärmung Änderungen –Niederschläge –Meeresniveau –Extrema im Wetter 1941 2004

26 26 Modellrechnungen des jüngeren Klimas Nur natürliche Treiber (Variabilität von Sonne, Vulkanen, etc.) Nur anthropogene Treiber (Änderungen, die durch menschliches Handeln bedingt sind) The Met Office Temperaturanomalie (°C) Simulation (Modell) Messungen Simulation (Modell) Messungen

27 27 Berechnete globale Erwärmung von 1860-2000: Natürliche und menschenbedingte Faktoren Gemessen Simulation (Modell) Temperature rise o C 0,0 0,5 1,0 1850 1900 1950 2000 Hadley Centre Temperaturanstieg (°C)

28 28 Impacts of Climate on the world: Temperature Änderungen der mittleren Oberflächenlufttemperaturen Dezember- Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a) Einheit: °C Mittelwert: 3,3; Minimum: -0,3; Maximum: 17,7 Einfluss des Klimas auf die Welt: Temperatur

29 29 Impacts of Climate on the World: Rainfall Einfluss des Klimas auf die Welt: Niederschläge Änderungen der mittleren Niederschläge Dezember-Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a) Einheit: mm pro Tag Mittelwert: 0,2; Minimum: -6,0; Maximum: 8,5

30 Stabilisierungs- Keile Jahr Emissionen von fossilen Treibstoffen (GtC/Jahr) Stabilisierungs- dreieck Weitere CO 2 Emissionen von fossilen Treibstoffen GtC = Gigatonnen Kohlenstoff = 10 9 Tonnen C Szenario 1: 1,5% pro Jahr exponentielles Wachstum Szenario 2: Stabilisierung bei 500 ppm CO 2 in der Atmosphäre Szenario 1 Szenario 2 50 Jahre 1 GtC/Jahr In Summe 25 GtC

31 20552005 14 7 Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr 1955 0 Historische Emissionen 2105 Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien

32 20552005 14 7 1955 0 2105 Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen

33 14 7 0 Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad 20552005 1955 2105 Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen

34 14 7 0 Stabilisierungs- dreieck Einfaches CO 2 Ziel ~850 ppm Härteres CO 2 Ziel ~500 ppm 20552005 1955 2105 Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad

35 14 7 0 14 GtC/Jahr 7 GtC/Jahr Sieben “Keile” 20552005 1955 2105 Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad

36 Heute verfügbare Technologien für die Keile Verbesserung der Treibstoffeffizienz Reduktion der Abhängigkeit von PKW Energieeffizientere Gebäude Effizientere Kraftwerke Weniger Kohlenstoff für Strom und Treibstoffe (“Dekarbonisierung”) Ersatz von Kohle durch Erdgas Kernspaltung Windstrom Photovoltaik Biotreibstoffe Carbon capture and storage (CCS, Kohlenstoff- Abscheidung und –Speicherung)

37 37

38 38 Danksagung Bristol ChemLabS British Council Sci Fest Africa 2008 t.g.harrison@bris.ac.uk d.e.shallcross@bris.ac.uk http://www.chemlabs.bris.ac.uk/outreach