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Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 14. Niederschlag.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 14. Niederschlag."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 14. Niederschlag

2 Wolken: Definition, Enstehung Wolken sind Aerosole, deren Partikel wässrige Lösungen sind. Nebel ist eine auf dem Boden aufliegende Wolke. Eine Wolke ensteht durch: Isobare Abkühlung, v.a. Strahlungsnebel adiabatische Abkühlung, bei Hebungsprozessen Mischung wasserdampfgesättigter Luftmassen unterschiedlicher Temperatur In jedem Fall wird die Taupunkt – Temperatur unterschritten bzw. die relative Luftfeuchte angehoben auf Werte nahe 100 %. Wegen der ubiquitären Anwesenheit von Aerosolpartikeln muss nicht eine deutliche Übersättigung der Luft mit Wasserdampf erfolgen (Kelvin-Gleichung), sondern geringe Übersättigung von maximal wenigen 1 / 10 % reicht zur Wolkenbildung aus (Köhler-Kurve). Dunst (mist, haze, auch smog) ohne Aktivierung der Tropfen kann bereits bei relativen Feuchten deutlich unter 100 %.´entstehen.

3 Entstehung von Mischungswolken Sättigungskurven für den Wasserdampfgehalt in Luft über flüssigem Wasser (Gleichgewichts-Kurve). Die Linie entspricht einer relativen Luftfeuchte von 100 %.

4 e = aktueller Gleichgewichts-Wasser-Dampfdruck über einem purem Wassertropfen e 0 = Gleichgewichts-Wasser-Dampfdruck über einer puren glatten Wasseroberfläche = Oberflächenspannung M = Molekulargewicht des Wassers R = Gaskonstante T = Temperatur = Dichte des Wassers D = Durchmesser des Partikels (Tropfens) Kelvin-Gleichung Für Wasser kann die Kelvin-Gleichung geschrieben werden als: Bild aus: Roedel, 2000 Für das Gleichgewicht über der Oberfläche kleiner Tröpfchen notwendige Wasserdampfübersättigung, in %, als Funktion des Tröpfchenradius, dargestellt als Abweichung von 100 %

5 Köhler-Gleichung Um den Einfluss gelöster Substanzen zu berücksichtigen, wird diese Gleichung zur Köhler-Gleichung erweitert: n s = Anzahl Mol des gelösten Stoffes Beachte: In den Term, der die Lösung von Stoffen (z.B. Ionen) beschreibt, geht der Durchmesser des Partikels (des Tropfens) mit 3. Potenz ein!

6 Köhler - Kurven unterschiedliche Salze und unterschiedliche Mengen ergeben jeweils unterschiedliche Köhler-Kurven g NaCl g (NH 4 ) 2 SO g (NH 4 ) 2 SO 4 Die Zustände rechts der Maxima in den Köhler-Kurven sind instabil, die Partikel sind "aktiviert" und wachsen an. Dies kann zu Bildung von Wolkentropfen führen. Bei kleinen Trop- fen dominiert der Lösungseffekt, bei großen Trop- fen der Krüm- mungseffekt. Die wesentlichste Folgerung ist, dass bei relativen Feuchten (rF = e/eo) unter 100 % Tropfen mit gelös- ten Salzen trotz des Kelvin-Effekts im Gleichgewicht existieren können.

7 Tropfengrößenverteilung des Flüssigwassergehalts Tropfengrößenverteilung im Nebel

8 Bildung von Niederschlag 1. In Mitteleuropa muss dafür die Eisphase durchschritten werden. 2. reines Anwachsen durch Kondensation führt normalerweise nicht zu Regentropfen, Koagulation ist notwendig Aus Aerosolpartikeln, die durch Anlagerung von Wasser quellen, werden zunächst Wolkentropfen. Wolken-Partikel können ggfs. so weit anwachsen, dass sie zum Niederschlag kommen. Beachte:

9 Bildung von Niederschlag gas flüssig fest

10 Bildung von Niederschlag gas flüssig fest flüssig möglich (Abweichung vom Gleichgewicht)

11 Regen Aus Aerosolpartikeln, die durch Anlagerung von Wasser quellen, werden zunächst Wolkentropfen. Wolken-Partikel können ggfs. so weit anwachsen, dass sie zum Niederschlag kommen. Für die Bildung von Regen reicht unter mitteleuropäischen Bedingungen dieser Prozess normalerweise nicht aus. Er ist schlicht zu langsam, um innerhalb von z.B. einer Stunde einen Tropfen mit D p = 1 mm zu bilden. Zusätzlich bedarf es der Bildung der Eisphase in der Wolke bei T 263 K, mit der damit verbundenen Absenkung des Wasserdampf-Partialdrucks über der Eisfläche und dem Wachstum der Eispartikel auf Kosten der Tropfen (Wegener- Bergeron-Findeisen-Mechanismus), und / oder des effektiven Anwachsens der Tropfen durch Koagulation. Die Koagulation wird initiiert durch wenige (z.B. 1 / l) giant particles, die während ihrer Bewegung in der Wolke kleine Tropfen duch Impaktion aufsammeln.

12 Saure Niederschläge - acid precipitation CO 2 (atm) H 2 CO 3 * H 2 CO 3 * H + + HCO 3 - HCO 3 - H + + CO 3 2- H 2 O H + + OH - K H = K a,1 = K a,2 = K a,H2O = 0, , , Ionenbilanz: [H + ] = [OH - ] + [HCO 3 - ] + 2 [CO 3 2- ]

13 Natürliches Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Bei CO 2 - Mischungsverhältnissen von ca. 350 ppm: Gleichgewichts-pH-Wert 5,6 Ist pH 5,6 der "natürliche" pH-Wert des Niederschlags? Nein! Natürlicher Niederschlag ist meist unter einen pH-Wert von 5,6 angesäuert. Gründe: - S-Emissionen - N-Emissionen - Essigsäure - Ameisensäure

14 Mittlere pH-Werte in Niederschlägen in entlegenen Regionen der Erde Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998 Amsterdam Island (Indischer Ozean) 4,9 Poker Flat (Alaska) 5,0 Katherine (Australien) 4,8 San Carlos (Venezuela) 4,8 St. Georges (Bermuda) 4,8

15 Bildung des "klassischen" sauren Niederschlags Emissionen von SO 2 (siehe Kap. Spurengase) : gasförmige Oxidation: SO 2 + OH + O 2 HO 2 + H 2 SO 4 H 2 SO 4 + H 2 O 2 H + + SO H 2 O Oxidation gelösten SO 2 's ( S(IV) ) in der wässrigen Phase: mit H 2 O 2, O 3, O 2 (katalysiert): Bildung der starken Säure H 2 SO 4 Emissionen von Stickoxiden (siehe Kap. Stickstoff) : gasförmige Oxidation zum HNO 3, Lösung in Wasser (starke Säure)

16 Saurer Regen tritt in einigen km bis einige Hundert km Abstand zu den Emittenten der Vorläufersubstanzen auf. Ursprünglich spielte SO 2 die größte Rolle als Vorläufersubstanz des Sauren Regens, aber in den letzten ca. 20 Jahren spielen auch NO x eine große Rolle. typische pH-Werte sauren Regens: 4,0 - 4,5 1960er Jahre: "Politik der hohen Schornsteine", Partikelfilterung der Kraftwerksemissionen Bildung des "klassischen" sauren Niederschlags

17 Typische pH-Werte von Regenwasser Quelle: Warneck, 1988

18 Verteilung des pH-Wertes im Niederschlag Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998

19 Verteilung des pH-Wertes im Niederschlag Quelle: einf-chem-phys-atmos/kapitel9.pdf

20 pH-Wert des Niederschlags Quelle: Graedel und Crutzen Hubbard Brook (New Hampshire, NE-USA) (bis ca. 1965: geschätzt) gemittelte pH-Werte des Regenniederschlags in Schweden Quelle: einf-chem-phys-atmos/kapitel9.pdf

21 acid fraction: 5 % percentile: - 87 % median: - 66 % 95 % percentile: - 54 % pH - Wert im Nebel (Fichtelgebirge)

22 Sulfat im Nebel (Fichtelgebirge)

23 Ionische Nebelzusammsetzung (Waldstein) Quelle: Wrzesinsky, Diplomarbeit 1998 Mittlere Zusammensetzung der Ionen (Äquivalentkonzentrationen) im Nebel am Waldstein 1997, pH = 4,3

24 CASCCBITÖK heatable collector (since 1998) Nebel

25 Vergleich Nebel - Regen Im Vergleich zu Regen werden in Nebel an einer gegebenen Station immer höhere Konzentrationen gelöster Inhaltsstoffe gemessen. Gründe hierfür können u.a. sein: Nebeltropfen sind i.d.R. kleiner als Regentropfen und deshalb u.U. höher konzentriert. Bei der Bildung von Regentropfen wurden große Mengen Wasserdampf in die Wolke (und in die wässrige Phase) inkorporiert, während bei Nebel das Tropfenwachstum an einem Punkt stehengeblieben ist. Nebel ist eher repräsentativ für die atmosphärische Grenzschicht (und damit näher an den bodennahen Quellen), während Regen für eine mächtigere vertikale Schicht repräsentativ ist. Die Zusammensetzung des Nebels ist auch meist heterogener.

26 Vergleich Nebel - Regen median concentrations Waldstein 2000 (µeq. l -1 )


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