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(2) Zusammensetzung der Atmosphäre Meteorologie und Klimaphysik Meteo 17.

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Präsentation zum Thema: "(2) Zusammensetzung der Atmosphäre Meteorologie und Klimaphysik Meteo 17."—  Präsentation transkript:

1 (2) Zusammensetzung der Atmosphäre Meteorologie und Klimaphysik Meteo 17

2 Zusammensetzung der Luft Die meteorologischen Prozesse spielen sich damit also tief in der Homosphäre ab. Damit kann/darf man die Zusammensetzung der Luft zu einem gegebenen Zeitpunkt also als konstant annehmen. Das gilt allerdings nur für die trockene Luft – der Wasserdampfgehalt ist stark variabel. Die Hauptbestandteile der trockenen Luft – N 2, O 2, Ar und CO 2 – haben zusammen einen Volumsanteil von %. Meteo 18 GasSymbolMolmasse [g/mol]Volumsanteil [%] StickstoffN % SauerstoffO % ArgonAr % Kohlendioxid CO % (395 ppm) Vom wichtigsten Bestandteil – Stickstoff – merkt man eigentlich nur etwas, wenn man taucht. Nebenbestandteile oder Spurenelemente haben z.T. große Bedeutung (Treibhausgase CH 4, N 2 O …). Ihr Volumsanteil wird in parts per million (ppm = ) u. parts per billion (ppb = !) angegeben.

3 Anstieg der CO 2 Konzentration Meteo 19 Auf dem Mauna Loa in Hawaii wird seit dem Internationalen Geo- physikalischen Jahr die CO 2 -Konzentration der Atmosphäre gemessen.

4 Anstieg der CO 2 Konzentration Meteo 20 Da CO 2 in der Atmosphäre gut durchmischt ist, sind auch Messungen an einer Station ein guter Indikator für den langfristigen Trend. Man beachte aber den ausgeprägten Jahresgang (Quelle: NOAA). Am wurde erstmals ein Wert von 400 ppm erreicht.

5 In der Globalen Nacht ist der Einfluss des Menschen unübersehbar – Mosaik aus wolkenfreien Satellitenbildern (NASA). Die nächtlichen Lichter sind ein guter Indikator für den menschlichen Energieverbrauch und CO 2 -Ausstoß. Energieverbrauch und CO 2 Emission Meteo 21

6 Mit dem Anstieg des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre ist eine Abnahme des Sauerstoffgehaltes verbunden (Quelle: MPI). Preisfrage: Warum ist die Abnahme etwa doppelt so stark wie der CO 2 -Anstieg? CO 2 und O 2 Konzentration Meteo 22

7 Mit dem Anstieg des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre ist (immer noch) eine Abnahme des Sauerstoffgehaltes verbunden (Quelle: IPCC, 2007). (Es liegt nicht am 2 in CO 2, da Sauerstoff auch als O 2 vorkommt) CO 2 und O 2 Konzentration Meteo 23

8 Zusammensetzung der Luft Übungsbeispiel 2: Bestimmen Sie die mittlere Molmasse der trockenen Luft. Übungsbeispiel 3: Bestimmen Sie die Massenanteile der vier Hauptbestandteile der trockenen Luft. Der Wasserdampfgehalt schwankt zeitlich und räumlich stark, mit der Höhe nimmt er rasch ab. In der unteren Troposphäre kann er einige Prozent erreichen. Darüber ist es extrem trocken. Meteo 24 1 mol = Stoffmenge, die so viele Teilchen enthält wie 12 g des Kohlenstoffisotops 12 C (salopp formuliert Molmasse in gramm). Die dazugehörige Zahl ist die Avogadro Konstante: Ein mol enthält N A Teilchen N A = · mol -1

9 (3) Allgemeine Gasgleichung Meteorologie und Klimaphysik Meteo 25

10 Allgemeine Gasgleichung Meteo 26 Der Zustand eines Gases ist durch die drei Zustandsgrößen Druck p, Temperatur T und Dichte ρ gegeben. Der Zusammenhang für ideale Gase lautet: dabei ist V das Volumen und n die Anzahl der Mole. R* ist die Allgemeine Gaskonstante: R* = J mol -1 K -1 Mit der Masse m und damit und der Definition der Dichte ergibt sich: dabei ist M die Molmasse.

11 Allgemeine Gasgleichung Meteo 27 Für trockene Luft ist die Annahme eines idealen Gases (Wechselwirkung zwischen den einzelnen Molekülen kann vernachlässigt werden) gut erfüllt. Hier kann man auch mit dem mittleren Molekurlargewicht für trockene Luft arbeiten, und die spezifische Gaskonstante für trockene Luft verwenden: mit ergibt mitR L = J kg -1 K -1 (Achtung - Einheiten) Mit dem Gesetz der Partialdrücke auch bekannt als Gesetz von Dalton gilt die Gasgleichung auch separat für alle Bestandteile.

12 Das etwas andere Gasgesetz In der kinetische Gastheorie verwendet man das Gasgesetz (bzw. höflicher: die thermische Zustandsgleichung eines idealen Gases) üblicherweise in der Form (Übungsbeispiel 5): Meteo 28 Sieht unverdächtig ähnlich aus, N ist hier aber nicht die Zahl der Mole, sondern die Zahl der Teilchen. k ist damit konsequenterweise die Boltzmannkonstante: k = · J K -1 Damit kann man die universelle Gaskonstante auf zwei andere Naturkonstanten zurückführen:

13 Benützt man das Gasgesetz für genau ein Mol (also n = 1), so ergibt sich das Molvolumen. Bei T 0 = 0°C ( K) und p 0 = hPa (Normalbedingungen) hat es den Wert (Übungsbeispiel 6): Meteo 29 Durch Einsetzen in das Gasgesetz kann man leicht die Dichte der Luft bestimmen. Bei T 0 = 0°C ( K) und p 0 = hPa beträgt sie (Übungsbeispiel 7): l/mol * m p TR V 3 kg/m * T p R M ρ Molvolumen und Dichte

14 (4) Der Luftdruck Meteorologie und Klimaphysik Meteo 30

15 Luftdruck Der Luftdruck wird noch oft in Millibar angegeben. Eigentlich müsste man aber (per Gesetz) die Einheit Pascal (Pa) verwenden (1 Pa = 1 N m -2 ). Die Umrechnung ist leicht: 1 Millibar = 100 Pascal = 1 Hektopascal Der Luftdruck ergibt sich aus der ungeordneten Bewegung der Luft-Moleküle. Die Atmosphäre befindet sich fast immer im sog. Hydrostatischen Gleichgewicht. Das bedeutet: Der Luftdruck ist immer gleich groß, wie das Gewicht der darüber liegenden Luft. Das Gewicht der gesamten Atmosphäre ist etwa so groß wie das einer 10 m dicken Wasserschicht. Also eigentlich gar nicht so wenig, aber es fällt uns nicht auf, weil wir daran gewöhnt sind. Der Normaldruck auf Meereshöhe ist hPa (also fast genau 1 bar). Meteo 31

16 Messung des Luftdrucks Das Quecksilberbarometer von Evangelista Torricelli aus dem Jahr 1644 war das erste Instrument, mit dem man Phänomene der Atmo- sphäre messen konnte. (Eigentlich wollte Torricelli nur beweisen, dass Luft ein Gewicht hat.) Unter Normalbedingungen ent- spricht der Luftdruck auf Meeres- niveau (in mittleren Breiten) dem Gewicht einer Quecksilbersäule von 760 mm Höhe. Daher auch die Einheit Millimeter Hg-Säule bzw.Torr – zu Ehren von Torricelli. Meteo 32 Bildquelle: W&K, H. Frater*

17 Messung des Luftdrucks Quecksilberbarometer sind nach wie vor die Instrumente der Wahl, wenn es um absolute Messgenauigkeit geht. Zu berücksichtigen ist hier natürlich die Temperatur- bedingte Ausdehnung des Quecksilbers. Beim Aneroidbarometer bzw. Dosenbarometer wird eine Dose durch den atmosph. Luftdruck unterschiedlich stark zusammen gedrückt. Meteo 33 Bildquelle: W & K

18 Mittlerer Luftdruck Meteo 34

19 Extremer Luftdruck Der tiefste Druck, der je auf Meereshöhe gemessen wurde, war übrigens 870 hPa - im Auge des Super-Taifun Tip, 1979 im Pazifik (975 hPa reichen schon für ein Sturmtief). In Heiligenblut hat es aber regelmäßig nur 870 hPa. Um Werte von Stationen in unterschiedlicher Höhe vergleichen zu können, rechnet man den gemessenen Druck daher auf Meeres- höhe um (sonst wäre Heiligenblut immer im Auge des Hurrikans). Dazu sagt man Reduktion – das ist leider etwas verwirrend, weil der Druck nach der Reduktion ja höher ist. Bildquelle: NOAA Meteo 35


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