Über polare Stratosphärenwolken und den Ozonabbau

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1 Über polare Stratosphärenwolken und den Ozonabbau
Chlorchemie on Ice Über polare Stratosphärenwolken und den Ozonabbau Vortrag von Markus Seidl am 8. Juni 2006, basierend auf Download:

2 Abbau der Ozonschicht durch FCKW
Einleitung Atmosphäre, polare Stratosphärenwolken stratosphärisches Ozon Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Abbau der Ozonschicht durch FCKW Reaktionsgleichungen Mechanismus Forschungsergebnisse und Diskussion Zeitliche Entwicklung der Ozonkonzentration in der Atmosphäre Die Zukunft des Ozonlochs

3 Die Atmosphäre 3 Einteilung der Atmosphäre in Schichten
Atmosphäre aus dem All

4 4 Die Atmosphäre Absorption von kurzwelligem Licht durch Stickstoff, Sauerstoff und Ozon

5 5 Die Atmosphäre Temperaturprofil der Atmosphäre

6 6 Die Atmosphäre Polare Stratosphärenwolken (PSC) Kiruna / Schweden

7 Die Atmosphäre 7 Chapman - Reaktionen (Gleichgewicht)
Natürliche Ozonbildung und -abbau in der Stratosphäre Erdgeschichtliche Ozonbildung: Folge der O2-Freisetzung zw Mio. Jahren vor der heutigen Zeit  Entstehung der Biosphäre bzw. des Lebens

8 8 Die Atmosphäre UV-Licht führt zur Ozonbildung, es wird durch Ozon aber auch absorbiert - Konsequenzen: 1) Licht erreicht die unteren Atmosphärenteile nicht 2) Begrenzte Ozonmenge (Gleichgewicht) 3) Wärmestrahlung heizt die Stratosphäre auf

9 9 Die Atmosphäre Die Dicke der Ozonschicht: zw. 18 und 40 km Höhe deutlich mehr Ozon als in der Tropo sphäre und Mesosphäre - Anteil des Ozons relativ zu N2 und O2 immer noch äußerst gering (1 : 10 5 ) Ozon-Höhenprofil % des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre Konzentration des Ozons vor allem in der unteren Stratosphäre

10 Die Atmosphäre 10 Messung der gesamten Ozonsäule: Dobson units (DU)
Dobson Spektrometer

11 Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone)
11 Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone) - voll halogenierte Kohlenstoffverbindungen Klimaschädigende Wirkung: 1) Ozonabbau in der Stratosphäre, extrem unter Schlüsselbedingungen (ODP) 2) als Treibhausgase mit einem sehr hohen Erderwärmungspotential, hoher positiver Strahlungsantrieb (GWP) keine natürlichen Quellen (haben größten Einfluss auf das Klima): CFC-11 (CFCl3), CFC-12 (CF2Cl2) und CFC-113 (CF2ClCFCl2) trop. Lebensdauer: ca Jahre natürliche Chlorquelle: CH3Cl (Methylchlorid) trop. Lebensdauer: ca. 1,3 Jahre Primärquellen des Chlors

12 Erforschung des Mechanismus des Ozonabbaus durch Chlorradikale
12 Erforschung des Mechanismus des Ozonabbaus durch Chlorradikale "for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone" Komplexe Bedingungen: 1) extrem niedrige Temperaturen (-80°C) 2) Sonnenlicht (UV-B Strahlung) 3) Polarwirbel Kettenreaktion

13 Stratosphärische Chlorchemie
13 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikalbildung: 1) Photolyse (Bildung von Cl·) 2) Oxidation (zu ClO·) kettenauslösendes Radikal:  Recycling  Bildung von Reservoir-Spezies

14 Stratosphärische Chlorchemie
14 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO2 Bildung von ClONO2 (Reservoir-Spezies 1) z.B. M = N2

15 Stratosphärische Chlorchemie
15 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO und CH4 Bildung von HCl (Reservoir-Spezies 2)

16 Stratosphärische Chlorchemie
16 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 1) Entzug der Stickstoffkatalysatoren: ·NO + O3  ·NO2 + O2 ·NO2 + ·NO3 + M*  N2O5 + M N2O5 + H2O  2 HNO3

17 Stratosphärische Chlorchemie
17 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 2) Katalytische Wirkung der PSC: HCl + ClONO2  Cl2 + HNO3

18 Stratosphärische Chlorchemie
18 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 3) Sonnenlicht (Ende der Polarnacht): Cl2 + hν  2 Cl· 4) katalytische Kettenreaktion: 2 Cl· + 2 O3  2 ClO· + 2 O2 2 ClO· + M  Cl2O2 + M Cl2O2 + hν  Cl· + ClO2·  2 Cl· + O2 ______________________________________ 2 O3 + hν  3 O2 (Netto)

19 Stratosphärische Chlorchemie
19 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Höhe 5) Polarwirbel: Bildung der Chlorspezies (Cl·, ClO· und Cl2O2) in der oberen Stratosphäre Ozon ist in der unteren Stratosphäre konzentriert Ozonkonzentration keine starke Ozonreduktion erwartet  aber: Durchmischung !!

20 Stratosphärische Chlorchemie
20 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Ozonloch im Polarwirbel (5. Juli bis 1. Oktober 1998,

21 Zusammenwirken aller Schlüsselbedingungen
21 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs Zusammenwirken aller Schlüsselbedingungen  Ozonlochbildung über der Antarktis: jährlich im Sept./Okt. (antarkt. Frühling) am Ende der Polarnacht  Bildung eines kleineren Ozonlochs über der Arktis: in manchen Jahren im März Im weiteren Jahresverlauf: Polarwolken lösen sich & Zusammenbruch des Polarwirbels  NOx wieder verfügbar (fangen die Chlorradikale ab)  Ozonschicht erholt sich

22 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
22 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Ozonloch über der Antarktis 1998

23 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
23 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Änderung des Ozon-Partialdrucks über der Antarktis 2001

24 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
24 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Ozon-Messreihe von Arosa (Schweiz, P. Götz)

25 Die Zukunft des Ozonlochs
25 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration Zeitliche Entwicklung der Konzentration von CFC-11 und CFC-12 in der Atmosphäre NH ...nördliche Hemisphäre SH ...südliche Hemisphäre CFC-12 CFC-11 (CFCl3): ΔHdiss (C-Cl) = 318 kJ · mol-1,  = 45 a CFC-12 (CF2Cl2): ΔHdiss (C-Cl) = 338 kJ · mol-1,  = 100 a CFC-11 Montrealer Protokoll (1987) über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen; Folgeprotokolle.

26 Die Zukunft des Ozonlochs
26 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration Neuere Trends für CFC-11 und CFC-12 Konzentrationsmaxima (Erdoberfläche): CFC-11 (45 Jahre)  CFC-12 (100 Jahre) 

27 Die Zukunft des Ozonlochs
27 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration ODP ...ozone depletion potential GWP ...global warming potential Vergleich zwischen FCKW und H-FCKW bzgl. ODP und GWP

28  negativer Strahlungsbeitrag (leichte Abkühlung)
28 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss des Ozonlochs auf den Strahlungshaushalt der Erde Abnahme der Ozonkonzentration führt zu 2 gegenläufigen Effekten: 1) pos. Strahlungsantrieb durch UV-B Durchlässigkeit der Stratosphäre 2) neg. Strahlungsantrieb durch Verringerung des Wärmetransports in die Troposphäre (überkompensiert Punkt 1 aufgrund der Albedo)  negativer Strahlungsbeitrag (leichte Abkühlung)

29 Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt)
29 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt) Abbau des stratosphärischen Ozons  geringere UV-Absorption führt zu weniger Wärmestrahlung  reduzierter Treibhauseffekt, v.a. in der unteren Stratosphäre Globale Erwärmung der Troposphäre durch den Anstieg an Treibhausgasen v.a. eine hohe CO2-Konzentration in der Nähe der Erdoberfläche reduziert die IR- Intensität in der unteren Stratosphäre  in dieser wird die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie

30 Die Zukunft des Ozonlochs
30 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch Zeitliche Entwicklung der Temperatur in der unteren Stratosphäre

31 weiterführende Literatur
verwendete Literatur Koß, Volker: Umweltchemie - Eine Einführung für Studium und Praxis. Springer, 1997. weiterführende Literatur Download

32 Danke für das Interesse an meinem Vortrag