Meteorologie und Klimaphysik (2) Zusammensetzung der Atmosphäre

Zusammensetzung der Luft Meteo 18 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 – N2, O2, Ar und CO2 – haben zusammen einen Volumsanteil von 100.00 %. Gas Symbol Molmasse [g/mol] Volumsanteil [%] Stickstoff N2 28.013 78.08 % Sauerstoff O2 31.999 20.95 % Argon Ar 39.948 0.93 % Kohlendioxid CO2 44.010 0.04 % (395 ppm) Vom wichtigsten Bestandteil – Stickstoff – merkt man eigentlich nur etwas, wenn man taucht. Nebenbestandteile oder Spurenelemente haben z.T. große Bedeutung (Treibhausgase CH4, N2O …). Ihr Volumsanteil wird in parts per million (ppm = 10-6) u. parts per billion (ppb = 10-9 !) angegeben.

Anstieg der CO2 Konzentration Meteo 19 Anstieg der CO2 Konzentration Auf dem Mauna Loa in Hawaii wird seit dem „Internationalen Geo-physikalischen Jahr“ die CO2-Konzentration der Atmosphäre gemessen.

Anstieg der CO2 Konzentration Meteo 20 Anstieg der CO2 Konzentration Da CO2 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 9. 5. 2013 wurde erstmals ein Wert von 400 ppm erreicht.

Energieverbrauch und CO2 Emission Meteo 21 Energieverbrauch und CO2 Emission 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 CO2-Ausstoß.

Meteo 22 CO2 und O2 Konzentration Mit dem Anstieg des CO2-Gehaltes der Atmosphäre ist eine Abnahme des Sauerstoffgehaltes verbunden (Quelle: MPI). Preisfrage: Warum ist die Abnahme etwa doppelt so stark wie der CO2-Anstieg?

Meteo 23 CO2 und O2 Konzentration Mit dem Anstieg des CO2-Gehaltes der Atmosphäre ist (immer noch) eine Abnahme des Sauerstoffgehaltes verbunden (Quelle: IPCC, 2007). (Es liegt nicht am „2“ in CO2, da Sauerstoff auch als O2 vorkommt)

Zusammensetzung der Luft Meteo 24 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. 1 mol = Stoffmenge, die so viele Teilchen enthält wie 12 g des Kohlenstoffisotops 12C (salopp formuliert „Molmasse in gramm“). Die dazugehörige Zahl ist die Avogadro Konstante: Ein mol enthält NA Teilchen NA = 6.0221 · 1023 mol-1

Meteorologie und Klimaphysik (3) Allgemeine Gasgleichung

Allgemeine Gasgleichung Meteo 26 Allgemeine Gasgleichung 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* = 8.3145 J mol-1 K-1 Mit der Masse m und damit und der Definition der Dichte ergibt sich: dabei ist M die Molmasse.

Allgemeine Gasgleichung Meteo 27 Allgemeine Gasgleichung 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 mit RL = 287.03 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.

Das etwas andere Gasgesetz Meteo 28 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): 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 = 1.380 65·10-23 J K-1 Damit kann man die universelle Gaskonstante auf zwei andere Naturkonstanten zurückführen:

kg/m 1.292 = T p R M ρ l/mol 22.414 = p T R V Molvolumen und Dichte Meteo 29 Molvolumen und Dichte Benützt man das Gasgesetz für genau ein Mol (also n = 1), so ergibt sich das Molvolumen. Bei T0 = 0°C (273.15 K) und p0 = 1013.25 hPa (Normalbedingungen) hat es den Wert (Übungsbeispiel 6): l/mol 22.414 = * m p T R V Durch Einsetzen in das Gasgesetz kann man leicht die Dichte der Luft bestimmen. Bei T0 = 0°C (273.15 K) und p0 = 1013.25 hPa beträgt sie (Übungsbeispiel 7): 3 kg/m 1.292 = * T p R M ρ

Meteorologie und Klimaphysik (4) Der Luftdruck

Luftdruck Der Luftdruck wird noch oft in Millibar angegeben. Meteo 31 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 1013.25 hPa (also fast genau 1 bar).

Messung des Luftdrucks Meteo 32 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. Quelle: CD-Rom „Phänomene der Erde – Wetter & Klima“, Harald Frater (Hrsg.) Bildquelle: W&K, H. Frater*

Messung des Luftdrucks Meteo 33 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. Bildquelle: W & K

Mittlerer Luftdruck Meteo 34 Animationen: „Global climate animations“ des department of Geography der University of Oregon. http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/ Daten: NCEP (National Centers for Environmental Prediction) Reanalysen für die Periode 1959-1997. Bei der Reanalyse werden Beobachtungsdaten aus der Vergangenheit mit modernen Analyseprogrammen aufbereitet und auf ein Gitter interpoliert.

Meteo 35 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