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Dipl. Ökol. Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie Westfälische Wilhelms-Universität Münster Luft und Luftbelastung:

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Präsentation zum Thema: "Dipl. Ökol. Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie Westfälische Wilhelms-Universität Münster Luft und Luftbelastung:"—  Präsentation transkript:

1 Dipl. Ökol. Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie Westfälische Wilhelms-Universität Münster Luft und Luftbelastung: Fachwissen zu den Themen Luft, Treibhauseffekt, Ozon und Saurer Regen Eine Zusammenfassung von Nina Harsch Universität Münster Deutschland 2011 Lehrerfortbildung

2 Gliederung 1.Luft Folie Treibhauseffekt Folie Ozon Folie Saurer Regen Folie Zusammenfassung Folie

3 1. LUFT Leitfragen: o Wie hat sich die Luft historisch entwickelt? o Wie ist sie heute zusammengesetzt? o Wie ist sie geschichtet?

4 Entwicklung der Atmosphäre Keine Atmosphäre. Meteoriteneinschläge, Vulkanausbrüche. Starke Erhitzung der Erde => Entgasung. Luft 4,5 Mrd. 4,3 Mrd. 2 Mrd. Zeitraum [Jahre vor heute] Nach: G LAUBRECHT et al., Begleitbuch Evolutionsausstellung Berliner Museum für Naturkunde, Prestel 2007 (verändert) 90 % Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Zunächst extremes Treibhausklima. Entweichen leichter Gase (z.B. H 2 ) in den Weltraum. Langsame Abkühlung. Wasserdampf: Kondensation. Kohlenstoffdioxid: Lösung im Urozean. => Kalk. 2 % Sauerstoff. Photosynthese und Atmung.

5 Luft Zusammensetzung der Luft 1 Vol % = ppm1 ppm = ppb1 ppb = ppt Wasser- dampf: 0,4 - 4 % (variabel) Nach: S CHULTZ, Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg (verändert)

6 Schichtung der Atmosphäre Luft Nach: Center for Science Education, University of California at Berkeley (verändert)Nach: Global Change Program, University of Michigan (verändert) Ozonschicht: Maximale Dichte in ca. 20 km Höhe Druck und Dichte der Luft nehmen mit der Höhe ab. Nach: Allgemeine Meteorologie Nr. 1, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach, 1987 (verändert)

7 2. TREIBHAUSEFFEKT Leitfragen: o Wie funktioniert der Treibhauseffekt? o Wie funktionieren Treibhausgase? o Welchen Einfluss haben sie? o Welche Folgen hat der Treibhauseffekt?

8 Treibhauseffekt: Funktionsweise (1)Die Sonne sendet kurzwellige Strahlung zur Erdoberfläche. (2)Die Erdoberfläche absorbiert die kurzwellige Strahlung und re-emittiert sie in Form von langwelliger Strahlung. (3)Die Treibhausgase absorbieren die langwellige Strahlung und re-emittieren sie anschließend in alle Richtungen. Treibhauseffekt Solarstrahlung: Sichtbare Strahlung, kurzwellig Terrestrische Strahlung: Wärmestrahlung, langwellig Erwärmung der Troposphäre natürlich verursacht anthropogen verursacht Nach: H ÖTTEKE et al., Den Treibhauseffekt verstehen, Unterricht Physik 20, 2009 (verändert).

9 Treibhausgase absorbieren Infrarotstrahlung. Treibhauseffekt Keine TreibhausgaseTreibhausgase N 2, O 2, Ar, H 2...CO 2, H 2 O, CH 4... homonuklear, ein- oder zweiatomig heteronuklear, bewegliches Dipolmoment 3D-Moleküle: (verändert) Dipolmoment: Durch Schwingungen variierbar. Schwingungen: Durch Strahlungsabsorption ausgelöst. Treibhausgase: Funktionsweise

10 Treibhauseffekt Valenzschwingung symmetrisch asymmetrisch Deformationsschwingung Ladungsschwerpunkte fallen in jeder Phase der Schwingung zusammen – Keine Änderung des Dipolmoments Ladungsverteilung ändert sich periodisch – Bewegliches Dipolmoment keine IR-AbsorptionAbsorption von IR-Strahlung IR-inaktivIR-aktiv Schwingungsarten: a) Valenzschwingung: Bindungslängen ändern sich (Streckschwingung). b) Deformationsschwingung: Bindungswinkel ändern sich (Beugeschwingung). Treibhausgase: Funktionsweise

11 Absorption von IR-Strahlung: Treibhauseffekt Schwingungsfrequenz erhöht sich durch: feste Bindung geringe Masse der schwingenden Atome Temperaturunabhängiger Prozess. Deformationsschwingung: Leichter anzuregen, als Valenzschwingung Treibhausgase: Funktionsweise

12 Solare Einstrahlung: 0,4 - 0,8 μm Durch Ozonschicht absorbiert: UV-Strahlung Durch Wasserdampf absorbiert: nahes Infrarot Terrestrische Ausstrahlung: μm Maximum: 10 μm Absorption durch Treibhausgase: μm Minima: 3,5 μm, 5 μm, 8 μm, 13 μm Jedes Gas hat eine spezifische Absorptionsbande. Treibhauseffekt Nach: H OFFMAN, S IMMONS, The Resilient Earth: Science, Global Warming and the Fate of Humanity, W EISCHET, E NDLICHER : Einführung in die Allgemeine Klimatologie, (verändert) Treibhausgase: Einfluss

13 Treibhauseffekt. Treib- haus- gas Mischungs- Verhältnis [Vol%] Absorptions- Bande Absorptions- Stärke Lebens- Dauer Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt (gesamt: +34 °C) Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt (gesamt: +1,6 °C) Relatives Treibhauspotential (bezogen auf 100 Jahre) H2OH2O0,4 - 4 %–66 %– CO ppm379 ppm122 %66 % O 3 (trop.) 5 ppb40 ppb20006 % N2ON2O270 ppb319 ppb3105 %6 % CH ppb1.774 ppb212 %15 % FCKW–3,5 ppb –8 % SF 6 –7 ppt23.900–– Auch weitere Luftkomponenten, wie z.B. NO 2 und SO 2 sind treibhausaktiv, allerdings ist ihr Einfluss aufgrund ihrer minimalen Mischungsverhältnisse vernachlässigbar gering. (vgl. B ENEDIX, 2006) Werte aus: B ERNER & S TREIF (2001), B LIEFERT (2002), IPCC (2007), J ACOBEIT (2007), H OFFMAN & S IMMONS (2008), W EISCHET & E NDLICHER (2008), B UCK & H OHL (2010) (z.T. gemittelt). Treibhausgase: Einfluss

14 Natürlicher Treibhauseffekt: ΔT = 34 °C o Erhöht die mittlere Globaltemperatur von -18°C auf +15°C. o Ermöglicht das Leben auf der Erde. Anthropogener Treibhauseffekt: ΔT = 1,6 °C o Hat die mittlere Globaltemperatur von 15°C auf 16,6°C erhöht und wird sie bis 2100 auf bis zu 18,5°C erhöhen. Treibhauseffekt Treibhauseffekt: Folgen Beide Grafiken nach: IPCC, 2007 (verändert)

15 Temperatur- Anstieg Temperatur- Anstieg Permafrost taut Klimawandel CO 2 CH 4 Salzgehalt Meeresspiegel Eisschmelze Ozeantemperatur Dürren Klimazonen- Verschiebung Extrem- Wetter- lagen Extrem- Wetter- lagen Kürzere Winter, längere Sommer Lebensraum Krankheiten Krieg Hunger Albedo Waldrodung Migration Tiere und Menschen Ozeanströmungen Verdunstung Überschwemmungen Wolken T T T T Methanhydrate instabil Albedo Ozean- Versauerung Ozean- Versauerung Desertifikation Albedo T T T T T T T T Artensterben Treibhauseffekt: Folgen

16 3. OZON Leitfragen: o Was beeinflusst den Ozonkreislauf? o Was ist stratosphärisches Ozon? o Was ist troposphärisches Ozon? o Zusammenhang zum Treibhauseffekt? Cartoon von F. M OSER, Wien (2011)

17 Ozon: Einflussfaktoren Ozon O3O3 O3O3 HO 2 NO x OH VOC O2O2 O2O2 CH 4 CO FCKW

18 Ozon: Einflussfaktoren A Ozon GasQuelleSenke Lebens- dauer Mischungs- Verhältnis Sonstiges NO x VOC, CH 4 Photolyse, Reaktion mit NO x Tage ppb ( 30 ppb) klimawirksam Ozonkreislauf: NO x sind O 3 -Senke und -Quelle Oxidation von CH 4 CO 2 -Bildung, O 3 -Bildung Monate ppb ( 100 ppb) immer > 40 ppb, da immer CH 4 vorhanden ist CO-Bildung Jahre 2 ppmklimawirksam Reaktion mit O 3 Jahre variabel Halogen- Kohlenwasserstoffe; sehr klimawirksam

19 Ozon: Einflussfaktoren A Ozon GasQuelleSenke Lebens- dauer Mischungs- Verhältnis Sonstiges Lösungs- mittel Isoprene Partikelbildung, Reaktion mit O 3 Jahre variabel flüchtige Kohlenwasserstoffe; sehr klimawirksam Tage 10 – ppt ( 100 ppt) NO x = NO & NO 2 v.a. NO 2 ist stark toxisch und kann ganze Wälder zerstören zahlreiche Reaktionen Sekunden einige ppt extrem reaktiv (Waschmittel der Atmosphäre) zahlreiche Reaktionen zahlreiche Reaktionen Sekunden einige 10er pptextrem reaktiv

20 Eigenschaften von Ozon Ozon in der Stratosphäre: ( km Höhe) natürliches Vorkommen Dobson Units UV-Absorption durch O 3 und O 2 : Ozon Ozon Ozon in der Troposphäre: ( km Höhe) anthropogen verursacht ppb ( DU) schleimhautreizend (ab 100 ppb) UV-C nmspaltet O 2 UV-B nmspaltet O 3 UV-A nm– vgl. Bundesamt für Strahlenschutz Entdeckung durch S CHÖNBEIN (1840) farblos, stechender Geruch ätzend, toxisch, brandfördernd treibhausaktiv Dobson-Unit: 1 DU entspricht Ozon-Schichtdicke von 0,01 mm unter Normalbedingungen 1 DU = 1,5 ppb vgl.: IPCC, Skala: DLR, 2008

21 Ozon in der Stratosphäre Ozon Messgerät: Dobson-Spektrometer (D OBSON, 1926) Intensitätsvergleich UV-C / UV-A vgl. Universität Oxford, FB Physik b)geographisch: Brewer-Dobson-Zirkulation 1.Ozonbildung in den Tropen 2.Luftmassentransport in Polarregionen Ausnahme Polarwinter: Kaltluftwirbel bildet sich um Antarktis und blockiert Zufuhr ozonreicher, tropischer Luft. Natürlicher Ozonkreislauf: a) chemisch: Chapman-Zyklus O 3 UV-B O 2 + O* O 2 UV-C 2 O* vgl.Alfred-Wegener-Institut

22 Ozon in der Stratosphäre Gestörter Ozonkreislauf: Ozon vgl. UNEP, 2010 (verändert) vgl. IPCC, 2007 (verändert) Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)Lachgas (N 2 O) / Stickoxide (NO x ) FCKW Halogenradikale OzonabbauLachgas Stickoxide (10 %) Ozonabbau alle H-Atome durch Halogene ersetzt synthetisch erzeugt unbrennbar, ungiftig, extrem stabil sehr hohes Ozonabbaupotential natürliche Quellen: Böden, Wälder anthropogen: Landwirtschaft, Industrie sehr stabil => Transport in Stratosphäre mäßiges (indirektes) Ozonabbaupotential dominierte den Ozonabbau im 20. Jahrhundert durch Montrealprotokoll seit 2010 global verboten Problem: Altgeräte, Schwarzmarkt (Mio $) Maximalemission (80er Jahre): 1 Mio t pro Jahr dominiert den Ozonabbau im 21. Jahrhundert im Kyotoprotokoll aufgeführtes Treibhausgas globale Reduktion geplant Maximalemission (heute): 10 Mio t pro Jahr λλ

23 Ozon in der Stratosphäre Ozonabbau durch FCKW: Ozon Polarsommer Zufuhr ozonhaltiger Luftmassen aus Tropen Ozon-Ausgleich FCKW-Spaltung freie Halogenradikale Ozon-Abbau Polarfrühling Verstärkte UV-Einstrahlung Polarwinter Wolken < 80°CFCKW-Eiskristalle 1 Chlor-Radikal hat eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten und kann bis zu Ozonmoleküle spalten! Entwicklung: Darstellung jeweils Oktober. Nach: NASA (verändert) Ozonloch: 1985 entdeckt Definition: Dicke < 220 DU (= 2,2 mm u.Nb.)

24 Stratosphäre: Abkühlung Stratosphäre: Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt Ozon Verminderter Ozonabbau Obere & mittlere Stratosphäre: O 3 -Abbaureaktionen verlangsamt Obere & mittlere Stratosphäre: O 3 -Abbaureaktionen verlangsamt Erhöhter Ozonabbau Untere Stratosphäre: Wolken < 80°C Schadstoff-Eiskristalle Ozonabbau Untere Stratosphäre: Wolken < 80°C Schadstoff-Eiskristalle Ozonabbau Dynamische atmosphärische Durchmischungsprozesse: Spurengas-Umverteilung Dynamische atmosphärische Durchmischungsprozesse: Spurengas-Umverteilung ? ? Temperatur- Anstieg Temperatur- Anstieg Troposphäre: Erwärmung

25 Ozon in der Troposphäre Ozonbildung Ozonabbau NO 2 + O 2 NO + O 3 O 3 O 2 HO 2 OH CO 2 CO, O 2 Ozon NO 2 ist durch sichtbares Licht spaltbar, O 3 hingegen nur durch UV-B-Strahlung. λ Natürlich: NO 2 -Quellen: Gewitter, Brände Gestört: Ozonbildung > Ozonabbau Nach: Washington County, Maryland (veröndert) CO-Quelle: Methan (Zwischenprodukt: Formaldehyd) CH 4 + O 2 CH 2 O + H 2 O CH 2 O + 2 OH CO + 2 H 2 O Vgl. M ÖLLER : Troposphärisches Ozon. UWSF, 12 (4), 2000.

26 Ozon in der Troposphäre Ozon Gestört: Ozonbildung > Ozonabbau Voraussetzungen für Ozonbildung: a)Licht für NO 2 -Spaltung (nachts: O 3 -Abbau) b)Konzentrationsverhältnisse: normal: c (NO 2 ) > c (NO) Grund: VOC erzeugen NO 2. VOC + NO NO 2 Folge: NO 2 erzeugt Ozon. NO 2 + O 2 NO + O 3 Ausnahme : c (NO 2 ) >> c (NO) Folge 1: Radikale bauen NO 2 ab. NO 2 NO Folge 2: Weniger NO 2 für O 3 -Bildung. aber auch: mehr NO => mehr NO 2 => mehr O 3 OH RO, RO 2 λ Die Beziehung von Ozon, Stickoxiden und VOC ist komplex und nichtlinear! Je nach Konzentrations- Verhältnissen: NO x O 3 VOC OH HO 2

27 Ozon Troposphäre: Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt VOC HO 2 CO CH 4 O3O3 O3O3 NO x VOC, CH 4 und O 3 sind treibhausaktiv. Emissions- Reduktion mindert Treibhauseffekt und troposphärisches Ozon! VOC und NO x verursachen Ozon-Spitzenwerte. CH 4 und CO erhöhen das Ozon-Jahresmittel. global Spitzen-OzonHintergrund-Ozon c(NO x )c(VOC) Ozon- Tagesmaxima c(CH 4 ) Ozon- Jahresmittel %- 50 %- 13 %+ 10 %+ 25 % Ozon global: a) Natürlich: 30 ppb b) Spitzenwerte: ppb c) Mittel heute: 40 ppb Vgl. M ETZ (Hrsg.): Im Spannungsfeld zwischen CO 2 -Einsparung und Abgasemissionsabsenkung. Expert Verlag. Remmingen, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), 2008.

28 4. SAURER REGEN Leitfragen: o Was ist Saurer Regen? o Welche Folgen hat er? o Wie ist die Entwicklung in Deutschland? o Wie ist die globale Entwicklung?

29 Was ist Saurer Regen? Niederschlag: a)Natürlich:leicht sauer (pH 5,6) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 b)Gestört:sauer (pH < 5,0) SO 2 + H 2 OH 2 SO 3 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 SO 3 + H 2 OH 2 SO 4 2 NO + O 2 2 NO 2 2 NO 2 + H 2 OHNO 2 + HNO 3 Saurer Regen Regen, Nebel, Schnee, Hagel…

30 Folgen Sauren Regens Saurer Regen Gewässer Vegetation Gebäude Nach: Norwegian Institute for Water Research, 2010 (verändert) England: Emission England: Emission Skandinavien: Immission Skandinavien: Immission H 3 O + + OH – 2 H 2 O 80er Jahre: Seen in Skandinavien zum Teil pH < 3,0.Haushalts-Essig: pH 2,5. Saurer Regen Ozon Klima- wandel Nach: BMELV, Waldzustandserhebung 2009 (v.) El Tajín, Mexiko. Universität Mexiko, 2010 CaCO H 3 O + CO H 2 O + Ca 2 + Ca SO CaSO 4 Calciumcarbonat (Kalksandstein, Beton, Marmor) Calciumcarbonat (Kalksandstein, Beton, Marmor) Calciumsulfat (Gips) Calciumsulfat (Gips) Erosion Emission Verfrachtung Immission

31 Entwicklung in Deutschland Saurer Regen : Anstieg des pH-Wertes von 4,4 auf 5,0 Vergleiche: Natürlich: pH 5,6 Gestört: pH < 5,0 Daten: Umweltbundesamt, 2010 NO x -Entwicklung : Mäßiger Rückgang (– 40 %) SO 2 -Entwicklung : Starker Rückgang (– 70 %) Daten: Umweltbundesamt, 2010

32 SO 2 und NO x in Deutschland Saurer Regen Gegenmaßnahmen: Verwendung schwefelreduzierter Kraftstoffe Rauchgas-Entschwefelung (Kalkwäsche): SO 2 + Ca(OH) 2 CaSO 3 + H 2 O CaSO 3 + O 2 CaSO 4 Schwefeldioxid + Löschkalk Schwefeldioxid + Löschkalk Calcium- sulfit Calcium- sulfat Gegenmaßnahmen: Katalysatoren Rauchgas-Entstickung: Zahlreiche Verfahren (DeNOx) z.B. Reduktion mit Ammoniak: NO + NO NH 3 2 N H 2 O Stickoxide + Ammoniak Stickoxide + Ammoniak Stickstoff + Wasser Stickstoff + Wasser Schwefeldioxid: SO 2 -Emissionen 2010 fast komplett anthropogen Daten: Umweltbundesamt, 2010 NO x -Emissionen 2010 größtenteils anthropogen Daten: Umweltbundesamt, 2010 Stickoxide: Gründe für nur mäßigen Rückgang: -Ozonchemie: O 3 NO x VOC -Lachgasemissionen: 2 N 2 O + O 2 4 NO -Diesel-Oxidationskatalysatoren: Erhöhter NO 2 -Ausstoß λ

33 Globale Entwicklung Saurer Regen Emissionen weltweit Europa: Trend sinkend Schwellenländer (v.a. Asien): Wirtschaftliche Entwicklung Trend steigend Daten: Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR), 2010

34 5. ZUSAMMENFASSUNG

35 Zusammenfassung: Luft und Luftverschmutzung Saurer Regen Ozon Treibhauseffekt HO 2 SO 2 O3O3 O3O3 OH CO H2OH2O H2OH2O SF 6 CH 4 VOC FCKW NO x CO 2 N2ON2O N2ON2O


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