Prof. Dudley Shallcross, ACRG Tim Harrison, Bristol ChemLabS 2008 Die Geschichte eines Schadstoffs

2 Übersicht des Vortrags Vergleich der Erde mit anderen Planeten Stickstoff und Sauerstoff Verlauf der Temperatur Troposphärische Schadstoffe

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4 Stickstoff (N 2 ) N  N Bindungsenergie = 944 kJ/mol 78% unserer Atmosphäre sind inert Gasförmig bei 25 O C, flüssig bei – 196 O C Farb- und geruchlos TGH

5 Bakterienhaufen Foto: Dr. Hazel Mottram

6 Sauerstoff (O 2 ) O=O Bindungsenergie = 496 kJ/mol 21% der Atmosphäre Gasförmig bei 25 O C, flüssig bei -183 O C Farb- und geruchlos Photosynthese ist die Hauptquelle für O 2 : 6CO 2 + 6H 2 O + Sonnenlicht  C 6 H 12 O 6 + 6O 2 2H 2 O 2  2H 2 O + O 2 TGH

7 “Spirale des Lebens” Foto: Dr. Adrian Mulholland

8 Höhe Temperatur

9 Chemie der Luft in der Stadt 10 km NO, NO 2, VOC VOC ? 0 km Stoffe biogenen und menschlichen Ursprungs 1 km Die Tropopause Die Grenzschicht

10 Was passiert mit den flüchtigen Kohlenwassertstoffen (VOC, volatile organic compounds)? Pflanzen, darunter Bäume, emittieren eine breite Palette an organischen Stoffen: Alkene, Alkohole, Carbonyle (Aldehyde, Ketone), Säuren Fahrzeuge emittieren Kohlenwasserstoffe und aromatische Spezies Viele dieser Stoffe sind wasserunlöslich und werden nicht ausgeregnet; Wie werden sie aus der Atmosphäre entfernt? TGH

11 Verbrennung bei hoher Temperatur VOC können in Luft oxidiert (verbrannt) werden nach folgender Reaktionsgleichung (Beispiel): CaC 2 + 2H 2 O  Ca(OH) 2 + C 2 H 2 C 2 H 2 + (5/2)O 2  2CO 2 + H 2 O CH 3 OH + (3/2)O 2  CO 2 + 2H 2 O Die Atmosphäre oxidiert VOC mithilfe freier Radikale

12 VOC werden vom OH Radikal abgebaut, welches sich aus Sonnenlicht bildet

13 Messung von Stickoxiden in der Luft von Bristol Verbrennung ist die Hauptquelle von NO 2 (NO wird in der Luft zu NO 2 oxidiert) TGH Messung von NO am in Bristol Stunde NO (ppb)

14 NO 2 + Sonnenlicht  O * + NO < ~ 400 nm O* + O 2  O 3 TGH Photochemischer Smog

15 Photochemischer Smog in Bristol: 27/07/2001 NO und O 3 (ppb) CO (ppm) Stunde

16 CO 2 Messungen in Bristol CO 2 wurde über mehrere Jahre im Old Park Hill gemessen.

17 CO 2 Messungen in Bristol CO 2 Minima (Stundenwerte) Datum

18 Langzeitmessungen von CO 2 CO 2 Messungen wurden bei Mauna Loa (Hawaii) für einige Jahre durchgeführt. Man erkennt einen stetigen Anstieg. CO 2 Gehalt der Luft bei Mauna Loa (ppm)

19 Der verstärkte Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt Ein Großteil der Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmt diese Ein Teil der Strahlung wird von der Erde und der Atmosphäre reflektiert Infrarotstrahlung wird von der Erdoberfläche emittiert Ein Teil der Infrarotstrahlung passiert die Atmosphäre, und ein Teil wird von Treibhaus- gasen absorbiert und in alle Richtungen re- emittiert. In der Folge erwärmen sich die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre Sonnen- strahlung passiert die klare Atmosphäre

20 Secrets in the Ice Schnee “vergräbt” und archiviert Nachweise für Zustände der Umwelt. Er wird zu Eis verdichtet und koserviert die Daten. Man kann nach Eiskernen und Daten bohren. Geheimnisse im Eis

21 CO 2 Niveau der letzten 1000 Jahre Gase werden aus eingeschlossenen Blasen extrahiert (diese sind in den Eiskernen “gefangen”). Sie geben Aufschluss über die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre. CO 2 Gehalt (ppm) Jahr Südpol

22 Froschchor Foto: Dr. Simon Hall

23 Methan (CH 4 ) and Lachgas (N 2 O) Jahr CH 4 (ppb) N 2 O (ppb) Strahlungsantrieb (W/m²) Global (errechnet) Jahr

24 Anstieg der globalen Temperatur Temperaturänderung (°C) Mittlere Oberflächentemperatur der Luft (Jahresmittel), relativ zum Ende des 19. Jahrhunderts

25 Auswirkungen der globalen Erwärmung Änderungen –Niederschläge –Meeresniveau –Extrema im Wetter

26 Modellrechnungen des jüngeren Klimas Nur natürliche Treiber (Variabilität von Sonne, Vulkanen, etc.) Nur anthropogene Treiber (Änderungen, die durch menschliches Handeln bedingt sind) The Met Office Temperaturanomalie (°C) Simulation (Modell) Messungen Simulation (Modell) Messungen

27 Berechnete globale Erwärmung von : Natürliche und menschenbedingte Faktoren Gemessen Simulation (Modell) Temperature rise o C 0,0 0,5 1, Hadley Centre Temperaturanstieg (°C)

28 Impacts of Climate on the world: Temperature Änderungen der mittleren Oberflächenlufttemperaturen Dezember- Jänner-Februar von auf (HadCM2, IS92a) Einheit: °C Mittelwert: 3,3; Minimum: -0,3; Maximum: 17,7 Einfluss des Klimas auf die Welt: Temperatur

29 Impacts of Climate on the World: Rainfall Einfluss des Klimas auf die Welt: Niederschläge Änderungen der mittleren Niederschläge Dezember-Jänner-Februar von auf (HadCM2, IS92a) Einheit: mm pro Tag Mittelwert: 0,2; Minimum: -6,0; Maximum: 8,5

Stabilisierungs- Keile Jahr Emissionen von fossilen Treibstoffen (GtC/Jahr) Stabilisierungs- dreieck Weitere CO 2 Emissionen von fossilen Treibstoffen GtC = Gigatonnen Kohlenstoff = 10 9 Tonnen C Szenario 1: 1,5% pro Jahr exponentielles Wachstum Szenario 2: Stabilisierung bei 500 ppm CO 2 in der Atmosphäre Szenario 1 Szenario 2 50 Jahre 1 GtC/Jahr In Summe 25 GtC

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen 2105 Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien

Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen

Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen

Stabilisierungs- dreieck Einfaches CO 2 Ziel ~850 ppm Härteres CO 2 Ziel ~500 ppm Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad

GtC/Jahr 7 GtC/Jahr Sieben “Keile” Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr Historische Emissionen Derzeit vorhergesagter Pfad Flacher Pfad

Heute verfügbare Technologien für die Keile Verbesserung der Treibstoffeffizienz Reduktion der Abhängigkeit von PKW Energieeffizientere Gebäude Effizientere Kraftwerke Weniger Kohlenstoff für Strom und Treibstoffe (“Dekarbonisierung”) Ersatz von Kohle durch Erdgas Kernspaltung Windstrom Photovoltaik Biotreibstoffe Carbon capture and storage (CCS, Kohlenstoff- Abscheidung und –Speicherung)

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38 Danksagung Bristol ChemLabS British Council Sci Fest Africa