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Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Spurengase.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Spurengase."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 12. Spurengase

2 Bedeutung einzelner Spurengase Konzentration Beispiel SO 2 : In geringen Mischungsverhältnissen von einigen ppt ist SO2 nahezu ubiquitär vorhanden und völlig unschädlich. In hohen Mischungsverhältnisen von einigen ppm ist es ein giftiges Gas und durch seine Folgereaktionen sehr bedeutendens Umweltproblem. Lebensdauer – Reaktivität Beispiel: OH-Radikale: Lebensdauer im Sekundenbereich Beispiel: N 2 O hat eine Lebensdauer von einigen 10ern von Jahren und ist auch deshalb so klimawirksam Toxizität Beispiel: Gasförmiges Quecksilber (Hg) ist ein sehr giftiges Gas Verteilung zwischen den Phasen Beispiel: NH 3 wird als Gas emittiert; durch seine Reaktion zur Partikelphase ( NH 4 + ) trägt es wesentlich zur Bildung der Partikelphase in der Atmosphäre bei Klimawirksamkeit (Strahlungseigenschaften allgemein) Beispiele: CO 2, CH 4, N 2 O, FCKW Bedeutung in den Elementkreisläufen Beispiel: NO x / PAN Die Bedeutung einzelner Spurengase ergibt sich aus:

3 Überblick Spurengase, stark vereinfacht (siehe auch Teil 1) GasQuel- le Sen- ke Was- serlös- lich- keit atm. Le- bens- Ad- sorp- tivität MischungsverhältnisToxi- zität Klima wirk- sam- keit Bed. Ele- ment- kreisl. div. remoteLandStadt SO 2 Emis- sion Oxid ation mitteleinige Tage mittel0 – 0.1 ppb 0.1 – 2 ppb 0.1 – 5 ppb +--+sau- re Nied. NO x Emis- sion Oxid ation mitteleinige Tage mittel0.05 – 1 ppb 1 – 10 ppb 5 – 100 ppb (--) +sau- re Nied. HNO 3 Oxi- da- tion aus NO 2 Parti kel, 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- serlös- lich- keit atm. Le- bens- dauer Ad- sorp- tivität 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 – 50 ppb 0.1 – 5 ppb -- +alkal COReak aus CH 4 Reak zu CO 2 geringMona- te gering 40 ppb ppb ppb +--+ O3O3 Reak + Pho- tol. Reak Dep Pho- tol mittelTagemittel10 – 30 ppb 20 – 120 ppb 0 – 120 ppb ++--Leits Phot Smo g OHPhotReakgut< 1 ssehr hoch einige ppt +-- Was chm HO 2 Reak sehr hoch s bis Stun- den hocheinige 10 er ppt (+)--

5 Schwefel in oxidierter Form Oxidierte Schwefelverbindungen sind von großer Bedeutung als in der Atmosphäre, weil: die Oxidation von SO 2 zu H 2 SO 4 in der Atmosphäre mit Produktion von Säure verbunden ist. Die entsprechenden Reaktionen tragen zu etwa 50 % der Bildung saurer Niederschläge bei H 2 SO 4 an der Produktion von Partikelmaterial wesentlich beteiligt ist SO 2 in hohen Konzentrationen direkt toxisch wirksam ist

6 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

7 SO 2 -Emissionen: Deutschland, 2001 (in kt a -1 ) 650Summe: 6Kleinverbraucher 326Kraft- und Fernheizwerke 150Industriefeuerungen 70Haushalte 20Straßenverkehr 2Übriger Verkehr 76Industrieprozesse Quelle:Umweltbundesamt,

8 Quelle:Umweltbundesamt SO 2 -Emissionen: Deutschland, 2001 (in kt a -1 )

9 SO 2 + H 2 O SO 2 H 2 O SO 2 H 2 O H + + HSO 3 - HSO 3 - H + + SO 3 2- SO 2 Schwefeldioxid in der Atmosphäre Gasphase SO 2 + OH + O 2 + H 2 O H 2 SO 4 + HO 2 Wasserphase (z.B. Wolkentropfen) SO 2 H 2 O (= H 2 SO 3 *) ist eine mittelstarke Säure (pK a 1 1,9; pK a 2 7.2) HSO H 2 O 2 HSO H 2 O HSO 4 - H + + SO 4 2- HSO 4 - ist eine stärkere Säure als HSO 3 - (pK a 1 2.0) wenn kein H 2 O 2 vorhanden ist, treten andere Oxidationsmittel in Aktion (v.a. Ozon) H 2 SO 4 geht gemeinsam mit Wassermolekülen in die Partikelphase oder es löst sich direkt in flüssigem Wasser. Es folgen die Reaktionen: H 2 SO 4 H + + HSO 4 - HSO 4 - H + + SO 4 2- Fazit: in jedem Fall entstehen 2 H + -Ionen

10 Stickoxide NO x =NO + NO 2 Stickoxide Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid N 2 O ist kein Stickoxid in diesem Sinne Stickoxide sind von großer Bedeutung als in der Atmosphäre, weil: die Oxidation von NO 2 zu HNO 3 in der Atmosphäre mit Produktion von Säure verbunden ist. Die entsprechenden Reaktionen tragen zu etwa 50 % der Bildung saurer Niederschläge bei die Deposition der Oxidationsprodukte zur Düngung von Ökosystemen beiträgt Etwa 50 % des N-Eintrags aus der Atmosphäre kommt aus dieser Quelle, Die andere Hälfte stammt aud reduzierten Verbindungen (NH 3, NH 4 + ) NO 2 ein unabdingbarer Vorläufer für die Bildung von troposphärischem Ozon ist

11 Stickoxide – Quellen (global) Quellen am Boden10 6 t / a = Tg a -1 (als NO 2 ) Verbrennung fossiler Energieträger 69 Verbrennung von Biomasse37 Emissionen aus Böden18 Atmosphärische Quellen Oxidation von NH 3 10 Gewitter17 Flugzeugabgase1 Input aus Stratosphäre2 Summe

12 Quelle:Umweltbundesamt Landwirtschaft21 Industrieprozesse13 Übriger Verkehr142 Straßenverkehr835 Haushalte88 Kleinverbraucher32 Industriefeuerungen189 Kraft- und Fernheizwerke272 Summe1592 NO x -Emissionen: Deutschland, 2001 (in kt a -1, als NO 2 )

13 NO x -Emissionen: Deutschland (in kt a -1, als NO 2 ) Quelle:Umweltbundesamt

14 NO + O 3 NO 2 + O 2 Stickoxide in der Atmosphäre Stickoxide werden als NO in die Atmosphäre emittiert Reaktion verläuft schnell (innerhalb Sekunden bis Minuten) Reaktion verläuft unter dem Einfluss von Sonnenlicht ( 400 nm) gemeinsam mit Hilfsreaktionen wie NO + RO2 NO2 + RO wird so troposphärisches Ozon bebildet. Mehr dazu in der Vorlesung Umweltmeteorologie NO 2 + OH HNO 3 HNO 3 ist eine starke Säure HNO 3 trägt zum NO Gehalt in Partikeln und Niederschlagswasser bei NO und NO 2 sind in hohen Konzentratinen direkt toxisch wirksam

15 Reaktive flüchtige KWs Bedeutung in der Atmosphäre weniger durch Beteiligung am C- Haushalt als durch Auswirkungen auf den Radikalhaushalt: NMKWNicht-Methan-Kohlenwasserstoffe NMHCNon-Methane-Hydrocarbons VOCVolatile Organic Compounds RH + OH R + H 2 OAlkylradikal R + O 2 RO 2 Alkylperoxyradikal RO 2 + NO RO +NO 2 Alkoxyradikale Beispiel Alkane:

16 Quellen in Deutschland 2001 / kt a Straßenverkehr 6Kraft- und Fernheizwerke 1606Summe 7Industriefeuerungen 4Kleinverbraucher 60Haushalte 42"Übriger Verkehr" 65Brennstoffgewinn und -verteilung 127Industrielle Prozesse 1000Lösemittelverwendung Quelle:Umweltbundesamt hinzu kommen etwa 5 % dieser Summe aus biogenen Quellen

17 Quellen in Deutschland / kt a -1 Quelle:Umweltbundesamt

18 OH HO 2 CO O3O3 H2O2H2O2 CH 4 CH 2 O NO 2 NO HNO 3 NMKW RO

19 Grenz- und Schwellenwerte für Ozon EU hat folgende "Schwellenwerte" festgelegt und mittels der 2. Bundesimmissions- schutzverordnung (BImSchV) in das deutsche Immissionsschutzrecht übernommen: Richtwert Menschliche Gesundheit 30-Min-Mittelwert120 µg/m³ VDI-Richtlinie 2310 Bl. 15 Leitwert Menschliche Gesundheit 1-Std-Mittelwert µg/m³WHO Schwellenwert Menschliche Gesundheit 1-Std-Mittelwert180 µg/m³ Schwellenwert Menschliche Gesundheit 1-Std-Mittelwert360 µg/m³ Schwellenwert Menschliche Gesundheit 1-Std-Mittelwert240 µg/m³BImSchG Schwellenwert Menschliche Gesundheit wie 22. BImSchV EG-Richtlinie 92/72/EWG Schwellenwert Menschliche Gesundheit 8-Std-Mittelwert110 µg/m³ SchwellenwertVegetation1-Std-Mittelwert200 µg/m³ SchwellenwertVegetationTagesmittelwert65 µg/m³22. BImSchV VerbindlichkeitSchutzobjektZeitbezugImmissionswert aus: Abschlussbericht Seminar Atmosphärische Chemie, SS 1998


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