Cornelius Zetzsch cornelius.zetzsch@uni-bayreuth.de Chemie der Atmosphäre Cornelius Zetzsch cornelius.zetzsch@uni-bayreuth.de

Die dünne Haut der Atmosphäre (ca Die dünne Haut der Atmosphäre (ca. 10 km dick) - zu erkennen an der bläulichen Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4 Aerosolpartikel und Wolken an der weißlichen Mie-Streuung: σM~ λ-1.3

Aufbau der Atmosphäre (halblog. Darstellung) ~ ~

Breitling-Orbiter Wind global

Windgeschwindigkeiten in der planetar. Grenzsch. Seesalzaerosolpartikel nur in Mischungsschicht bis 800 m über dem Meer Globale Quellstärke: 1 Milliarde t / Jahr 3.5 8 14 m/s NASA, 2006 Wind global

Ozonanstieg Troposphäre: Hintergrund bei europäischen Bergstationen seit 1870

O3-Loch NH, SH

Lehrbücher, älter und teils hervorragend: P. A. Leighton: Photochemistry of Air Pollution, Acad. Press, New York, 1961 (der „Klassiker“) M.J. McEwan, L.F. Pillips: Chemistry of the Atmosphere. Edward Arnold, London 1975 (Ergebnisse aus Raketenflügen) J. Heicklen: Atmospheric Chemistry, Academic Press, New York, 1976 (leider veraltet; Rolle von OH nicht erkannt) T.E. Graedel: Chemical Compounds in the Atmosphere, Academic Press, New York 1978 T.E: Graedel, D. T. Hawkins, L.T. Claxton: Atmospheric Chemical Compounds: Sources, Occurrence, and Bioassay. Academic Press, Orlando, 1986 I.M. Campbell: Energy and the Atmosphere, Wiley, New Yoork, 1986 G. Brasseur, S. Solomon, Aeronomy of the Middle Atmosphere, Reidel, 1986 R.C. Flagan, J.M. Seinfeld, Fundamentals of Air Pollution Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1988 R. Wayne, Chemistry of Atmospheres (Introd. Earth, Planets and their Satellites), Oxford University Press, 2. Aufl., 1991 P. Fabian, Atmosphäre und Umwelt, Springer, Berlin, 4. Aufl. 1992

Aktuelle Bücher: B. Finlayson-Pitts, J.N. Pitts: Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Academic Press,1999 (ein sehr vollständiges und vielseitiges Lehrbuch und zugleich Nachschlagewerk und gut verständlich) J.H. Seinfeld, S. Pandis: Atmospheric Chemistry and Physics, Wiley, 1998. (preisgünstiges Paperback, modern, sehr kreativ, physikalisch) R. Zellner (Hrsg.) Global Aspects of Atmospheric Chemistry, Topics in Physical Chemistry 6, Steinkopff/Springer, 1999 (hervorragende und gut verständliche Übersichtsartikel) P. Warneck: Chemistry of the Natural Atmosphere, 2. Auflage, Academic Press, 1999 (ausgezeichnet natürl. Zusammenhänge erklärend). D. Möller: Luft, Chemie, Physik, Biologie, Reinhaltung, de Gruyter, 2003 (leider viele Fehler). Chemie in unserer Zeit Themenheft „Atmosphärenchemie“, 2007 Homepage: www.igac.noaa.gov/newsletter/

I planetar. Grenzschicht (Ozean)

US Standard Atmosphäre und Ionosphäre (log)

dP= -(PMg/RT)dz

Temperaturgefälle Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmelehre) dU = dQ + dW, adiabatisch: dQ = 0 dW = - pdV dH = dU + p dV + V dp  dH = V dp Cp = (dH/dT)p Cp dT = V dp = -Vrgdz, V = 1/r Cp/Cv = k, Cv = 1/R pro Freiheitsgrad, Cp-Cv = R -dT/dz = g/cp = Gd (dry = trocken) = 9,8 K/km P · Vk = const T · P(k-1)/k = T · P2/7 (k=1,4),  = T · (1000/P)2/7 (Pot. Temp.) Gs = 4 K/km in Bodennähe, 6-7 K/km in 6 km Höhe (saturated = gesättigt)

100% 44% 38% 82% 16,5% 1,1% 18% 0,08%

(km) 140 130 120 110 100 90 80 O (3P)/cm-3 108 109 1010 1011

Chapman-Mechanismus O2 + hn  O + O ja O + O2 + M  O3 + M kb (siehe Warneck, Chemistry of the Natural Atmosphere) O2 + hn  O + O ja O + O2 + M  O3 + M kb O3 + hn  O2 + O jc O + O3  O2 + O2 kd d[O2]/dt = 0 (Quasistationarität) tregen= [O3]beob/2ja[O2]; tss=¼(kb[M]/kdjajc)1/2

tss= ¼(kb[M]/kdjajc)1/2 tregen= [O3]/2jO2[O2]

Ozon-Breitengrade

O3-Lat(z) IGAC Newsl.32

Ozon-Strat-Trop

TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer, seit 1978 auf NIMBUS 7 im Umlauf MLS: Microw. Limb Sounder http://mls.jpl.nasa.gov/ Sommersmog über Mittelmeer und Atlantik

UV-Strahlung

Solar irradiance vs cm-1 1.0 IR-Bereich I Spektrum der Sonne außerh. d. Atmosphäre Sichtbarer Bereich 400-650 nm UV –Bereich I  l < 400 nm Irradaiance (80 erg/cm2 s cm-1) 0.5 die Einhüllende entspricht einem schwarzen Strahler (Planck: 6000K) 0 10000 20000 30000 40000 50000 cm-1 Wellenzahl Solar irradiance vs cm-1

Log Solarstrahlung (log Wellenlänge/nm) 1% Planck: d E(l,T)= (c1/l5)[exp (c2/lT) – 1]-1 dl Doppellogarithmische Darstellung!

Lyman-a dringt bis 75 km in die Atmos. ein T ~ 106 K O2-Abs.-Spektrum Lyman-a dringt bis 75 km in die Atmos. ein T ~ 106 K Dopplerbreite (DnD): =(2n0/c)(2RT ln2/M)1/2 DnD = 0.0003 nm bei 1000 K ~ T1/2

F10.7 – Bereich bis zu 7-25

Stratosphärisches Fenster

Eindringen der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre Halblogarithmische Darstellung! Abs. Ozon  Fenster Abs. v. O2

(gedehnte Skala!)

Lichtstreuung, Ozon, Gase, Aerosol Warum, bzw. wann ist der Himmel blau? bläuliche Rayleigh-Streuung: σR~ λ-4 weißliche Mie-Streuung: σM~ λ-1.3 ln (I0/I) Ozon- Absorption Lichtstreuung, Ozon, Gase, Aerosol

Absorption im UV/Vis/NIR durch Spurengase

Planck‘sches Strahlungsgesetz Nimbus 4 (1971) über der Sahara Planck:E(l,T) =(c1/l5)[exp(c2/lT) – 1 ]-1 dl Wien: lmax = C/T Stefan-Boltzmann: E(T) = sT4 Planck‘sches Strahlungsgesetz

Strahlungsbilanz, Größe des Treibhauseffekts Solarkonstante Kugeloberfläche: 4pr2 Kreisfläche: pr2 (1-a) S0/4 = s Te4 (Stefan-Boltzmann) mit Albedo a = 0,3 ergibt sich: TGleichgewicht = 255 K, Beobachtet am Boden wird TGlobal=288K, also ist DT = 33K der Treibhauseffekt

> 15% ice coverage = sea-ice

IPCC2007

Methan, was ist da los?

CO2

Strahlungskühlung Clough, S.A., and M.J. Iacono, Line-by-line calculations of atmospheric fluxes and cooling rates II:  Application to carbon dioxide, ozone, methane, nitrous oxide, and the halocarbons. J. Geophys. Res., 100, 16,519-16,535, 1995.

Bewaldung global

CH4

N2O

FCKW

OH-Trends?? Das hier ist wohl Unsinn, meint C.Z. jedenfalls, weil er noch einigen Vorrat an CH3CCl3 hat

Sonnenzyklus

Vulkanausbrüche

Wissensstand IPCC2002

IPCC 2007 Forcing

Probability - Level of Scientific Understanding