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Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 9. Spurengase.

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Präsentation zum Thema: "Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 9. Spurengase."—  Präsentation transkript:

1 Umweltmeteorologie Prof. Dr. Otto Klemm 9. Spurengase

2 Bedeutung einzelner Spurengase Konzentration Lebensdauer – Reaktivität Toxizität für Vegetation, Tiere und Menschen, Verteilung zwischen den Phasen Klimawirksamkeit (Strahlungseigenschaften allgemein) Bedeutung in den Elementkreisläufen Die Bedeutung einzelner Spurengase ergibt sich aus:

3 Überblick Spurengase, stark vereinfacht GasQuel -le Sen -ke Was- ser- lös- lich- keit atm. Le- bens- Ad- sorp- tivi- tät MischungsverhältnisToxi- zität Klima wirk- sam- keit Bed. Ele- ment - kreisl. div. remoteLandStadt SO 2 Emis- sion Oxida tion mittelwenige Tage mittel0 – 0.1 ppb 0.1 – 2 ppb 0.1 – 5 ppb +--+sau- re Nied. NO x Emis- sion Oxida tion mitteleinige Tage mittel0.05 – 1 ppb 1 – 10 ppb 5 – 100 ppb (--) +sau- re Nied. HNO 3 Oxi- da- tion aus NO 2 Partik el, Wolk en, trock Dep. sehr hoch Tagesehr hoch 0 – 2 ppb 0 – 4 ppb (--)--+

4 Überblick Spurengase, stark vereinfacht (Forts.) GasQuel -le Sen -ke Was- serlö s- lich- keit atm. Le- bens- daue r Ad- sorp- tivitä t MischungsverhältnisToxi - zität Klima wirk- sam- keit Bed. Ele- ment - kreisl. div. remoteLandStadt NH 3 Emis- sion Part. Bild- ung hochStun- den hoch0 – 0.1 ppb 0.1 – 5 ppb -- +alkal CO Reak aus CH 4 Reak zu CO 2 geringMona- te gering 40 ppb 100 - 300 ppb 100 - 10000 ppb +--+ O3O3 Reak + Pho- tol. Reak Dep Pho- tol mittelTagemittel10 – 30 ppb 20 – 120 ppb 0 – 120 ppb ++--Leits Phot Smog OH PhotReakgut< 1 ssehr hoch einige ppt einigee ppt einige ppt +-- Wasc hm HO 2 Reak sehr hoch s bis Stun- den hocheinige 10 er ppt (+)--

5 Schwefelhaushalt - Quellen Anthropogene Quellen 5 %Industrielle Prozesse (SO 2 ) 14 %Ölverbrennung (SO 2 ) 27 %Kohleverbrennung (SO 2 ) 19 %Ozeane (biogen, DMS) 29 %Ozeane (Gischt, SO 4 2- ) 6 %Vulkane (SO 2 ) Natürliche Quellen Natürliche / Anthropogene Quellen 1 Dimethylsulfid

6 SO 2 -Emissionen: global, 1985

7 SO 2 -Emissionen: Europa Quelle: http://www.acidrain.org

8 SO 2 -Emissionen: Deutschland, 2004 Quelle:www.umweltbundesamt.de GT % 1. Energie505 88 A. Verbrennung fossiler Brennstoffe487 85 1. Energiewirtschaft317 55 2. Verarbeitendes Gewerbe91 16 3. Verkehr1 0.25 davon Straßenverkehr1 0.14 4. Übrige Feuerungsanlagen77 13 davon Gewerbe, Handel, Dienstleistung21 3.64 davon Haushalte54 9.47 5. Militär und weitere kleine Quellen0 0.07 B. Diffuse Emissionen aus Brennstoffen18 3.11 1. Feste Brennstoffe0 0.07 2. Öl und Gas17 3.04 2. Industrieprozesse70 12 A. Mineralische Produkte5 0.95 B. Chemische Industrie27 4.73 C. Herstellung von Metall15 2.57 D. Herstellung weiterer Produkte (3) 23 3.92 Summe575 100

9 SO 2 -Emissionen: Deutschland SO 2 – Emissionen aus Deutschland (jetzige Fläche) in kt a -1 Datenquelle: www.umweltbundesamt.de

10 Fichtelgebirge Quelle: Diercke Weltatlas, 1996

11 SO 2 - Immission: Fichtelgebirge

12 SO 2 + H 2 O SO 2 H 2 O SO 2 H 2 O H + + HSO 3 - HSO 3 - H + + SO 3 2- Schwefeldioxid in Wasser = 1.23 mol l –1 atm –1 (298 K) = 1.3 10 –2 mol l –1 = 6.6 10 –8 mol l –1 = 1.01 10 –2 mol kg –1

13 Reaktionen des SO 2 - wässrige Phase 1. Oxidation durch Wasserstoffperoxid HSO 3 - + H 2 O 2 HSO 4 - + H 2 O HSO 4 - SO 4 2- + H + 2. Oxidation durch Ozon Reaktionsrate nimmt zu mit steigendem pH 3. Oxidation durch Sauerstoff, katalysiert durch Mn(II) und Fe(III) in jedem Fall entsteht H 2 SO 4, eine starke Säure!

14 Reaktionen des SO 2 - Gasphase SO 2 + OH HSO 3 HSO 3 + O 2 SO 3 + HO 2 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Summe: SO 2 + OH + O 2 + H 2 O H 2 SO 4 + HO 2 Das Verhältnis der wässrigen zur gasförmigen Oxidation des SO 2 ist schwierig zu quantifizieren. Globale Abschätzungen reichen von 1:1 bis zu 1:3. Jedenfalls wird das SO 2 fast vollständig als SO 4 2- wieder aus der Atmosphäre entfernt, das meiste gelöst in Niederschlagswasser

15 Stickoxide NO x =NO + NO 2 Stickoxide Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid N 2 O ist kein Stickoxid in diesem Sinne

16 Stickoxide - Quellen 10 6 t / a = Tg a -1 (als NO 2 ) Quellen am Boden Verbrennung fossiler Energieträger69 Verbrennung von Biomasse37 Emissionen aus Böden18 Atmosphärische Quellen Gewitter17 Flugzeugabgase1 Input aus Stratosphäre2 Summe 144 66

17 NO x - Emissionen in Deutschland 2004 Datenquelle:www.umweltbundesamt.de Gt % Verbrennung fossiler Brennstoffe145793 Energiewirtschaft27618 Verarbeitendes Gewerbe1469 Verkehr84754 davon Straßenverkehr73247 Übrige Feuerungsanlagen18112 davon Gewerbe, Handel, Dienstleistung271.7 davon Haushalte785.0 Militär und weitere kleine Quellen70.4 Industrieprozesse110.7 Landwirtschaft1016.4 Düngerwirtschaft191.2 Landwirtschaftliche Böden825.2 Summe1569100

18 Quelle: Helbig et al., 1999

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20 NO x -Emissionen: Deutschland NO x – Emissionen aus Deutschland (jetzige Fläche) in kt a -1 Datenquelle: www.umweltbundesamt.de

21 CO Quelle: Seinfeld und Pandis, 2006 Quellen (global)Tg a-1 Oxidation von CH4800 Oxidation biogener VOC320 Oxidation anthropogener VOC 110 Vegetation150 Ozeane50 Verbrennung von Biomase700 Verbrennung fossiler Brennstoffe 650 Summe2780 Senken (global) Deposition9 % Reaktion mit OH91 %

22 http://dmsp.ngdc.noaa.gov/html/night_light_posters.html

23

24 NO x : Wichtige Reaktionen NO + O 3 NO 2 + O 2 schnell NO + RO 2 NO 2 + RO NO + HO 2 NO 2 + OH NO 2 + h O( 3 P) + NO 400 nm; j(NO 2 ) 9 10 -3 s -1 O( 3 P)+O 2 O 3 Reaktion von allergrößter Bedeutung für troposphärische O 3 -Bildung

25 NO 2 + OH HNO 3 bedeutende Senke für NO 2 HNO 3 + h NO 2 + OH langsam, deshalb ist 3. wichtig HNO 3 +H 2 O fl H + + NO 3 - aq. HNO 3 + NH 3 NH 4 NO 3 (Aerosol) NO x : Wichtige Reaktionen

26 Reaktive flüchtige KWs Bedeutung in der Atmosphäre weniger durch Beteiligung am C-Haushalt als durch Auswirkungen auf den Radikalhaushalt. NMKWNicht-Methan-Kohlenwasserstoffe NMVOC Non-Methane Volatile Organic Compounds NMHCNon-Methane-Hydrocarbons VOCVolatile Organic Compounds BVOCBiogenic Volatile Organic Compounds

27 anthropogene Quellen in Deutschland 2004 Gg% 1. Energie339.127 A. Verbrennung fossiler Brennstoffe286.8323 1. Energiewirtschaft8.560.69 2. Verarbeitendes Gewerbe6.040.49 3. Verkehr185.0215 davon Straßenverkehr168.5614 4. Übrige Feuerungsanlagen84.246.80 davon Gewerbe, Handel, Dienstleistung6.030.49 davon Haushalte60.514.89 5. Militär und weitere kleine Quellen2.980.24 B. Diffuse Emissionen aus Brennstoffen52.254.22 1. Feste Brennstoffe1.270.10 2. Öl und Gas50.984.12 2. Industrieprozesse50.614.09 A. Mineralische Produkte1.560.13 B. Chemische Industrie4.190.34 C. Herstellung von Metall2.070.17 D. Herstellung weiterer Produkte (3) 42.793.46 3. Lösemittel und andere Produktverwendung729.5559 4. Landwirtschaft119.0810 B. Düngerwirtschaft119.0810 Summe1 238.3100 Datenquelle: www.umweltbundesamt.de

28 Quelle: Helbig et al., 1999

29 Reaktive flüchtige KWs NMVOC – Emissionen aus Deutschland (jetzige Fläche) in kt a -1 Datenquelle: www.umweltbundesamt.de

30 biogene Quellen global Quelle:A. Guenther, 2005 Emissionen aus der Vegetation (80 % Blattwerk, 15 % Stämme, Blüten etc.) und Bodenmikroorganismen (5 %) Isopren40 % Methanol15 % Acetaldehyde, acetone, ethene, ethanol, a-pinene: 1 to 7% each35 % b-pinene, d-carene, hexenal, hexenol, hexenyl-acetate, propene, formaldehyde, hexanal, butanone, sabinene, limonene, methyl butenol, butene, b-carophylene, b-phellandrene, p-cymene, myrcene: 0.2 to 1% each 15 % Formic acid, acetic acid, ethane, toluene, camphene, terpinolene, a- terpinolene, a-thujene, cineole, ocimene, g-terpinene, bornyl acetate, camphor, piperitone, linalool, tricyclene: 0.04 to 0.2% each 5 % Summe: > 1.5 Gt a -1 global sind die biogenen Emissionen weitaus größer als die anthropogenen

31 Reaktionen am Beispiel der Alkane RH + OH R + H 2 O Alkylradikal R + O 2 RO 2 Alkylperoxyradikal RO 2 + NO RO +NO 2 Alkoxyradikale

32 Luftqualitätsindex LQIBewertung < 0.5sehr gut 0.5 – 1gut 1 - 1.5befriedigend 1.5 - 2ausreichend 2 – 2.5schlecht > 2.5sehr schlecht


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