dipl. Ökol. nina harsch fachbereich chemie und pharmazie – institut für didaktik der chemie...
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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 HarschUniversität Münster
Deutschland
2011
Lehrerfortbildung
Gliederung
1. Luft Folie 3 - 6
2. Treibhauseffekt Folie 7 - 15
3. Ozon Folie 16 - 27
4. Saurer Regen Folie 28 - 33
5. Zusammenfassung Folie 34 - 35
1. LUFT
Leitfragen:
o Wie hat sich die Luft historisch entwickelt?
o Wie ist sie heute zusammengesetzt?
o Wie ist sie geschichtet?
Entwicklung der Atmosphäre
Keine Atmosphäre. Meteoriteneinschläge, Vulkanausbrüche.Starke Erhitzung der Erde => Entgasung.
Luft
4,5 Mrd.
4,3 Mrd.
2 Mrd.Zei
trau
m
[Jah
re v
or h
eute
]
Nach: GLAUBRECHT et al., Begleitbuch Evolutionsausstellung Berliner Museum für Naturkunde, Prestel 2007 (verändert)
90 % Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid. Zunächst extremes Treibhausklima.
Entweichen leichter Gase (z.B. H2) in den Weltraum.
Langsame Abkühlung. Wasserdampf: Kondensation.
Kohlenstoffdioxid: Lösung im Urozean. => Kalk.2 % Sauerstoff. Photosynthese und Atmung.
LuftZusammensetzung der Luft
1 Vol % = 10 000 ppm 1 ppm = 1.000 ppb 1 ppb = 1.000 ppt
Wasser-dampf:
0,4 - 4 %(variabel)
Nach: SC
HU
LTZ
, Max Planck Institut für M
eteorologie, Ham
burg (verändert)
Schichtung der AtmosphäreLuft
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: A
llgemeine M
eteorologie Nr. 1,
Selbstverlag des Deutschen
Wetterdienstes, O
ffenbach, 1987 (verändert)
2. TREIBHAUSEFFEKT
Leitfragen:
o Wie funktioniert der Treibhauseffekt?
o Wie funktionieren Treibhausgase?
o Welchen Einfluss haben sie?
o Welche Folgen hat der Treibhauseffekt?
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, kurzwelligTerrestrische Strahlung: Wärmestrahlung, langwellig
Erwärmung derTroposphäre
natürlichverursacht
anthropogenverursacht
Nac
h: H
ÖT
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n, U
nter
rich
t Phy
sik
20, 2
009
(ver
ände
rt).
Treibhausgase absorbieren Infrarotstrahlung.
Treibhauseffekt
Keine Treibhausgase Treibhausgase
N2, O2, Ar, H2 ... CO2, H2O, CH4 ...
homonuklear, ein- oder zweiatomig
heteronuklear, bewegliches Dipolmoment
3D-M
oleküle: http://ww
w.chem
ie-interaktiv.net/ (verändert)
Dipolmoment: Durch Schwingungen variierbar.Schwingungen: Durch Strahlungsabsorption ausgelöst.
Treibhausgase: Funktionsweise
Treibhauseffekt
Valenzschwingung symmetrisch asymmetrisch
Deformationsschwingung
Ladungsschwerpunkte fallen in jeder Phase der Schwingung zusammen – Keine Änderung des Dipolmoments
Ladungsverteilung ändert sich periodisch –B e w e g l i c h e s D i p o l m o m e n t
keine IR-Absorption Absorption von IR-Strahlung
IR-inaktiv I R - a k t i v
Schwingungsarten:a) Valenzschwingung: Bindungslängen ändern sich (Streckschwingung).
b) Deformationsschwingung: Bindungswinkel ändern sich (Beugeschwingung).
Treibhausgase: Funktionsweise
Absorption von IR-Strahlung:
Treibhauseffekt
Schwingungsfrequenz erhöht sich durch:- feste Bindung- geringe Masseder schwingenden Atome
Temperaturunabhängiger Prozess.
Deformationsschwingung:Leichter anzuregen, als Valenzschwingung
Treibhausgase: Funktionsweise
Solare Einstrahlung: 0,4 - 0,8 μmDurch Ozonschicht absorbiert: UV-StrahlungDurch Wasserdampf absorbiert: nahes Infrarot
Terrestrische Ausstrahlung: 3 - 100 μm Maximum: 10 μm
Absorption durch Treibhausgase: 1 - 100 μm Minima: 3,5 μm, 5 μm, 8 μm, 13 μm
Jedes Gas hat eine spezifische Absorptionsbande.
Treibhauseffekt
Nach: HOFFMAN, SIMMONS, The Resilient Earth: Science, Global Warming and the Fate of Humanity, 2008. WEISCHET, ENDLICHER: Einführung in die Allgemeine Klimatologie, 2008. (verändert)
Treibhausgase: Einfluss
Treibhauseffekt
.
Treib-haus-gas
Mischungs-Verhältnis
[Vol%]
Absorptions-Bande
Absorptions-Stärke
Lebens-Dauer Beitrag zum
natürlichen Treibhauseffekt(gesamt: +34 °C)
Beitrag zum anthropogenenTreibhauseffekt(gesamt: +1,6 °C)1750 2005 Relatives Treibhauspotential
(bezogen auf 100 Jahre)
H2O 0,4 - 4 % – 66 % –
CO2 280 ppm 379 ppm 1 22 % 66 %
O3 (trop.) 5 ppb 40 ppb 2000 6 % 6 %
N2O 270 ppb 319 ppb 310 5 % 6 %
CH4 715 ppb 1.774 ppb 21 2 % 15 %
FCKW – 3,5 ppb 140 - 11.700 – 8 %
SF6 – 7 ppt 23.900 – –
Auch weitere Luftkomponenten, wie z.B. NO2 und SO2 sind treibhausaktiv, allerdings ist ihr Einfluss aufgrund ihrer minimalen Mischungsverhältnisse vernachlässigbar gering. (vgl. BENEDIX,
2006)
Werte aus: BERNER & STREIF (2001), BLIEFERT (2002), IPCC (2007), JACOBEIT (2007), HOFFMAN & SIMMONS (2008), WEISCHET & ENDLICHER (2008), BUCK & HOHL (2010) (z.T. gemittelt).
Treibhausgase: Einfluss
Natürlicher Treibhauseffekt: ΔT = 34 °Co Erhöht die mittlere Globaltemperatur von -18°C auf +15°C.o Ermöglicht das Leben auf der Erde.
Anthropogener Treibhauseffekt: ΔT = 1,6 °Co Hat die mittlere Globaltemperatur von 15°C auf 16,6°C
erhöht und wird sie bis 2100 auf bis zu 18,5°C erhöhen.
TreibhauseffektTreibhauseffekt: Folgen
Beide Grafiken nach: IPCC, 2007 (verändert)
Temperatur-Anstieg
Permafrost taut
K l i m a w a n d e lCO2 ↑
CH4 ↑
CH4 ↑
Salzgehalt ↓Meeresspiegel ↑
Eisschmelze
Ozeantemperatur ↑
Dürren
Klimazonen-Verschiebung
Extrem-Wetter-lagen
Kürzere Winter, längere Sommer
Lebensraum ↓
Krankheiten
Krieg
Hunger
Albedo ↓
Waldrodung
Migration Tiere und Menschen
Ozeanströmungen ↓
Verdunstung ↑
Überschwemmungen
Wolken ↑T ↓ T ↑
Methanhydrate instabil
Albedo ↑
Ozean-Versauerung
Desertifikation Albedo ↑
T ↑
T ↑
T ↑
T ↓
Artensterben
Treibhauseffekt: Folgen
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. MOSER, Wien (2011)
Ozon: EinflussfaktorenOzon
O3
HO2●
NOx
OH●
VOC
O2
CH4
CO
FCKW
Ozon: Einflussfaktoren
A
Ozon
Gas Quelle SenkeLebens-
dauerMischungs-Verhältnis
Sonstiges
O3
NOx
VOC,
CH4
Photolyse,Reaktion
mit NOx
Tage10 - 120 ppb
( 30 ppb)∅
klimawirksamOzonkreislauf:
NOx sind O3-Senke und -Quelle
CO Oxidation von CH4
CO2-Bildung, O3-Bildung
Monate 40 - 10.000 ppb( 100 ppb)∅
immer > 40 ppb, da immer CH4 vorhanden ist
CH4 CO-Bildung Jahre 2 ppm klimawirksam
FCKW Reaktion mit O3 Jahre variabelHalogen-
Kohlenwasserstoffe; sehr klimawirksam
Ozon: Einflussfaktoren
A
Ozon
Gas Quelle SenkeLebens-
dauerMischungs-Verhältnis
Sonstiges
VOC
Lösungs-
mittel
Isoprene
Partikelbildung, Reaktion mit O3
Jahre variabelflüchtige
Kohlenwasserstoffe; sehr klimawirksam
NOx Tage10 – 1.000 ppt
( 100 ppt)∅
NOx = NO & NO2
v.a. NO2 ist stark toxisch und kann ganze Wälder zerstören
OH∙ zahlreiche Reaktionen
Sekunden einige pptextrem reaktiv
(“Waschmittel der Atmosphäre”)
HO2∙zahlreicheReaktionen
zahlreicheReaktionen
Sekunden einige 10er ppt extrem reaktiv
Eigenschaften von Ozon
Ozon in der Stratosphäre: (15 - 40 km Höhe)
- natürliches Vorkommen- 200 - 450 Dobson Units- UV-Absorption durch O3 und O2:
Ozon
http://www.welt-der-physik.de
Ozon
Ozon in der Troposphäre: (0 - 10 km Höhe)
- anthropogen verursacht- 10 - 120 ppb (7 - 78 DU)
- schleimhautreizend (ab 100 ppb)
UV-C 100 - 280 nm spaltet O2
UV-B 280 - 315 nm spaltet O3
UV-A 315 - 400 nm –vgl. Bundesamt für Strahlenschutz
- Entdeckung durch SCHÖNBEIN (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, 2001.Skala: DLR, 2008
Ozon in der StratosphäreOzon
Messgerät: Dobson-Spektrometer (DOBSON, 1926)Intensitätsvergleich UV-C / UV-A
vgl. Universität Oxford, FB Physik
b) geographisch: Brewer-Dobson-Zirkulation1. Ozonbildung in den Tropen2. Luftmassentransport in Polarregionen
Ausnahme Polarwinter: Kaltluftwirbel bildet sich um Antarktis und blockiert Zufuhr ozonreicher, tropischer Luft.
Natürlicher Ozonkreislauf:
a) chemisch: Chapman-Zyklus
O3 UV-B O2 + O*
O2 UV-C
2 O*
http://ww
w.w
etter24.de
vgl.Alfred-Wegener-Institut
Ozon in der Stratosphäre
Gestörter Ozonkreislauf:
Ozon
vgl.
UN
EP
, 201
0 (v
erän
dert
)
vgl. IPCC, 2007 (verändert)
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) Lachgas (N2O) / Stickoxide (NOx)
FCKW → Halogenradikale → Ozonabbau Lachgas → 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. Jahrhundertdurch Montrealprotokoll seit 2010 global verboten
Problem: Altgeräte, Schwarzmarkt (Mio $)Maximalemission (80er Jahre): 1 Mio t pro Jahr
dominiert den Ozonabbau im 21. Jahrhundertim Kyotoprotokoll aufgeführtes Treibhausgas
globale Reduktion geplantMaximalemission (heute): 10 Mio t pro Jahr
λ λ
Ozon in der Stratosphäre
Ozonabbau durch FCKW:
Ozon
http://www.datenbank-europa.de
Polarsommer
Zufuhr ozonhaltiger Luftmassen aus Tropen
Ozon-Ausgleich
FCKW-Spaltung
freie Halogenradikale
Ozon-AbbauPolarfrühling
Verstärkte UV-Einstrahlung
Polarwinter
Wolken < 80°C FCKW-Eiskristalle
1 Chlor-Radikal hat eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten und kann bis zu
100.000 Ozonmoleküle spalten!
Entwicklung:
Darstellung jeweils Oktober.Nach: NASA (verändert)
Ozonloch:
1985 entdeckt
Definition: Dicke < 220 DU
(= 2,2 mm u.Nb.)
Stratosphäre: Abkühlung
Stratosphäre:Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt Ozon
Verminderter Ozonabbau
Obere & mittlere Stratosphäre:
O3-Abbaureaktionen verlangsamt
Erhöhter Ozonabbau
Untere Stratosphäre: Wolken < 80°C
Schadstoff-EiskristalleOzonabbau
Dynamischeatmosphärische
Durchmischungsprozesse:Spurengas-Umverteilung
?
Temperatur-Anstieg
Troposphäre: Erwärmung
Ozon in der Troposphäre
Ozonbildung Ozonabbau
NO2 + O2 NO + O3
O3 O2
HO2 ● OH ●
CO2 CO, O2
Ozon
NO2 ist durch sichtbares Licht spaltbar,O3 hingegen nur durch UV-B-Strahlung.
λ
Natürlich:
NO2-Quellen:Gewitter, Brände
Gestört:Ozonbildung > Ozonabbau
Nac
h: W
ashi
ngto
n C
ount
y,
Mar
ylan
d (v
erön
dert
)
CO-Quelle: Methan(Zwischenprodukt: Formaldehyd)
CH4 + O2 → CH2O + H2O
CH2O + 2 OH ● → CO + 2 H2OVgl. MÖLLER: Troposphärisches Ozon. UWSF, 12 (4), 2000.
Ozon in der TroposphäreOzon
Gestört:Ozonbildung > Ozonabbau
Voraussetzungen für Ozonbildung:
a) Licht für NO2-Spaltung (nachts: O3-Abbau)
b) Konzentrationsverhältnisse:
normal: c (NO2) > c (NO)
Grund: VOC erzeugen NO2. VOC + NO
NO2
Folge: NO2 erzeugt Ozon. NO2 + O2 NO +
O3
Ausnahme : c (NO2) >> c (NO)
Folge 1: Radikale bauen NO2 ab. NO2
NO
Folge 2: Weniger NO2 für O3-Bildung. aber auch: mehr NO => mehr NO2 => mehr O3
OH ● RO ●, RO2 ●
λ
Die Beziehung von Ozon,
Stickoxiden und VOC ist komplex und nichtlinear!
Je nach Konzentrations-Verhältnissen:
NOx ↑↓
O3 ↑↓
VOC ↑↓
OH ● HO2 ●
Ozon
Troposphäre:Wechselspiel Ozon - Treibhauseffekt
VOC
HO2● CO
CH4
O3 NOx
VOC, CH4 und O3 sind
treibhausaktiv.
Emissions-Reduktion mindert
Treibhauseffekt und
troposphärisches Ozon!
VOC und NOx verursachen Ozon-Spitzenwerte.
CH4 und COerhöhen das Ozon-Jahresmittel.
global
Spitzen-Ozon Hintergrund-Ozon
c(NOx) c(VOC) Ozon-Tagesmaxima
c(CH4)Ozon-
Jahresmittel
1990 - 2008 - 60 % - 50 % - 13 % + 10 % + 25 %
Ozon global:
a) Natürlich: 30 ppb
b) Spitzenwerte: 120 - 170 ppb
c) Mittel heute: 40 ppb
Vgl. METZ (Hrsg.): Im Spannungsfeld zwischen CO2-Einsparung und Abgasemissionsabsenkung. Expert Verlag. Remmingen, 2008.National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) , 2008.
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?
Was ist Saurer Regen?
Niederschlag:
a) Natürlich: leicht sauer (pH 5,6)
CO2 + H2O H2CO3
b) Gestört: sauer (pH < 5,0)
SO2 + H2O H2SO3
2 SO2 + O2 2 SO3
SO3 + H2O H2SO4
2 NO + O2 2 NO2
2 NO2 + H2O HNO2 + HNO3
Saurer Regen
Regen,Nebel,Schnee,Hagel…
Folgen Sauren Regens Saurer Regen
Gewässer
Vegetation
Gebäude
http://www.karikatur-cartoon.de
Nach: N
orwegian Institute for W
ater R
esearch, 2010 (verändert)
England:Emission
Skandinavien:Immission
http://ww
w.irishlim
e.com
H3O+ + OH– → 2 H2O
80er Jahre: Seen in Skandinavien zum Teil pH < 3,0. Haushalts-Essig: pH 2,5.
Saurer Regen
Ozon
Klima-wandel
Nach: B
ME
LV, W
aldzustandserhebung 2009 (v.)
El Tajín, M
exiko.U
niversität Mexiko, 2010
CaCO3 + 2 H3O+ → CO2 + 3 H2O + Ca2+
Ca2+ + SO42- → CaSO4
Calciumcarbonat(Kalksandstein, Beton, Marmor)
Calciumsulfat (Gips)
Erosion
Emission
Verfrachtung
Immission
Entwicklung in Deutschland Saurer Regen
1985 - 2010:Anstieg despH-Wertesvon 4,4 auf 5,0
Vergleiche:Natürlich: pH 5,6Gestört: pH < 5,0
Daten: U
mw
eltbundesamt, 2010
NOx-Entwicklung 1985 - 2010:
Mäßiger Rückgang (– 40 %)
SO2-Entwicklung 1985 - 2010:
Starker Rückgang (– 70 %)
Daten: U
mw
eltbundesamt, 2010
SO2 und NOx in Deutschland Saurer Regen
Gegenmaßnahmen:- Verwendung schwefelreduzierter Kraftstoffe- Rauchgas-Entschwefelung (Kalkwäsche):
SO2 + Ca(OH)2 → CaSO3 + H2O
CaSO3 + O2 → CaSO4
Schwefeldioxid+ Löschkalk
Calcium-sulfit
Calcium-sulfat
Gegenmaßnahmen:- Katalysatoren- Rauchgas-Entstickung: Zahlreiche Verfahren (DeNOx)
z.B. Reduktion mit Ammoniak: NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O
Stickoxide+ Ammoniak
Stickstoff+ Wasser
Schwefeldioxid:
SO2-Emissionen 2010fast komplett anthropogen
Daten: U
mw
eltbundesamt,
2010
NOx-Emissionen 2010größtenteils anthropogen
Daten: U
mw
eltbundesamt,
2010
Stickoxide:
Gründe für nur mäßigen Rückgang:
- Ozonchemie: O3 ↔ NOx ↔ VOC- Lachgasemissionen: 2 N2O + O2 → 4 NO- Diesel-Oxidationskatalysatoren: Erhöhter NO2-Ausstoß
λ
Globale Entwicklung Saurer Regen
Emissionen weltweit
- Europa: Trend sinkend
- Schwellenländer (v.a. Asien):
Wirtschaftliche
Entwicklung
Trend steigendDaten: Emissions Database for Global Atmospheric Research (EDGAR) , 2010
N2
O2
H2ONatürlicher THE
CH4
FKWFCKW
N2OCO2O3
SF6Anthropogener Treibhauseffekt
CO2
Ar
NeKrHe
Xe
H2
CH4N2O
CO
Luft
5. ZUSAMMENFASSUNG
Zusammenfassung:Luft und Luftverschmutzung
Saurer RegenOzon
Treibhauseffekt
HO2●
SO2
O3
OH●
CO
H2O
SF6CH4
VOC
FCKW
NOx
CO2N2O