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

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

2 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 Atmosphäre aus dem All Einteilung der Atmosphäre in Schichten 3

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

5 Die Atmosphäre Temperaturprofil der Atmosphäre 5

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

7 Die Atmosphäre Chapman - Reaktionen (Gleichgewicht) 7 Erdgeschichtliche Ozonbildung: Folge der O 2 -Freisetzung zw Mio. Jahren vor der heutigen Zeit  Entstehung der Biosphäre bzw. des Lebens Natürliche Ozonbildung und -abbau in der Stratosphäre

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 8

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 N 2 und O 2 immer noch äußerst gering (1 : 10 5 ) 9 Ozon-Höhenprofil % des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre Konzentration des Ozons vor allem in der unteren Stratosphäre

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

11 Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone) - voll halogenierte Kohlenstoffverbindungen Primärquellen des Chlors 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 (CFCl 3 ), CFC-12 (CF 2 Cl 2 ) und CFC-113 (CF 2 ClCFCl 2 ) trop. Lebensdauer: ca Jahre natürliche Chlorquelle: CH3Cl (Methylchlorid) trop. Lebensdauer: ca. 1,3 Jahre 11

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

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

14 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO 2 Bildung von ClONO 2 (Reservoir-Spezies 1) 14 z.B. M = N 2

15 Stratosphärische Chlorchemie - Grundlagen Radikal-Senken: mit NO und CH 4 Bildung von HCl (Reservoir-Spezies 2) 15

16 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 1) Entzug der Stickstoffkatalysatoren: ·NO + O 3  ·NO 2 + O 2 ·NO 2 + ·NO 3 + M*  N 2 O 5 + M N 2 O 5 + H 2 O  2 HNO 3 16

17 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 2) Katalytische Wirkung der PSC: HCl + ClONO 2  Cl 2 + HNO 3 17

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

19 Stratosphärische Chlorchemie - 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs 5) Polarwirbel: Bildung der Chlorspezies (Cl·, ClO· und Cl 2 O 2 ) in der oberen Stratosphäre Ozon ist in der unteren Stratosphäre konzentriert 19 Höhe Ozonkonzentration keine starke Ozonreduktion erwartet  aber: Durchmischung !!

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

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  NO x wieder verfügbar (fangen die Chlorradikale ab)  Ozonschicht erholt sich 21

22 Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration Ozonloch über der Antarktis

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

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

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 25 Montrealer Protokoll (1987) über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen; Folgeprotokolle. CFC-12 CFC-11 CFC-11 (CFCl 3 ): ΔH diss (C-Cl) = 318 kJ · mol -1,  = 45 a CFC-12 (CF 2 Cl 2 ): ΔH diss (C-Cl) = 338 kJ · mol -1,  = 100 a

26 Die Zukunft des Ozonlochs - Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration Neuere Trends für CFC-11 und CFC-12 Konzentrationsmaxima (Erdoberfläche): CFC-11 (45 Jahre)  1994 CFC-12 (100 Jahre) 

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

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) 28

29 Die Zukunft des Ozonlochs - Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch 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 CO 2 -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 Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt) 29

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

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

32 Danke für das Interesse an meinem Vortrag


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