Atmosphäre - Teil Peter

für CO und CH4 siehe grafik

CO2 Ist chemisch inert, kann aber in Wasser gelöst zu Kohlensäure umgewandelt werden

CH4: Oxidation mit OH --> Lebensdauer: 10 Jahre (halbwertszeit!)

CO: Oxidation durch OH --> Lebensdauer: 2 Monate (halbwertszeit!)

CO2: Photosynthese & Lösung im Ozean

CH4: Homogener globaler Hintergrund

CO: regionale Gradienten

CO2: fast homogene Verteilung

Erwärmung des West-Pazifiks --> geringere Löslichkeit des CO2 --> stärkerer Anstieg in der Luft --> Verschiebung Wettersysteme --> Dürren --> Änderung der produktivität der Landvegetation

Durch fossile fuel bruning würde der CO2 gehalt bis 2000 auf 382 ppm ansteigen. Da aber der Ozean CO2 aufnimmt und durch Photosynthese und anschliessende Bodenbildung C gebunden wird ist der gemessene Astieg kleiner!

--> siehe grafik

Mit der Klimaerwärmung steigen auch die Temperaturen des Ozeans, dadruch kann er weniger CO2 aufnehmen, was widerum den CO2 gehalt steigen lässt (teufelskreis).

Deshalb in der Grafik auch outgassing eingezeichnet

\(CH_4 + 2*O_2 \rightarrow CO_2 + 2*H_2O\)

für Methan werden zur umwandlung 2 O2 gebraucht und nur ein co2 hergestellt

mit abnehmender Wichtigkeit für die Kühlung:

1. CO2 können nur duch einen kleinen Teil der Strahlung angeregt werden (--> absorptionsbanden sind optisch dicht). Bei sehr viel CO2 klauen sich die CO2-Moleküle also gegenseitig die Photonen weg. Das heisst bei hoher CO2-Konzentration ist gar nicht genügend energie vorhanden um alle anzuregen, noch mehr CO2 würde also keine erwärmung bringen. <-- bezieht sich auf die Rückstrahlung der erde (siehe absorptionsspektren der Erde)
2. Kühlung durch die Ozeane im moment noch sehr stark
3. Mehr CO2 in der Luft macht es für die Pflanzen einfacher CO2 zu binden --> können mehr CO2 binden
4. Bei mehr CO2 werden mehr Wolken gebildet --> höhrer albedo.

Siehe grafik (grobe zahlen können: wichtig welche flüsse exisiteren): linker Teil ist kurzwellige strahlung rehter teil ist langwellige strahlung. Prozentzahlen beziehen sich immer auf die 100% einfallende STrahlung also 342 W/m2. Es muss immer Gelten E_in = Eout

Wichtig: Energieflüsse welche durch den Vulkanismus und die Erdwärme entstehen sind so klein, dass diese Vernachlässigt werden können.

Sie zerstören das Ozon, was nicht gut ist für den UV-Schutz auf der Erde (wichtig für alle Lebewesen). Da Ozon aber ein starkes Treibhausgas ist haben FCKWs früher mit der Zerstörung des Ozons die erde gekühlt.

Es kann von einer Strahlungserhöhung im Mittel von ca. 2 Watt pro m2 ausgegangen werden. Allerdings ist unsicherheit sehr gros. defintiv ist es aber zu mehr starhlung gekommen. 

--> siehe grafik

Global Warming Potential: Wie stark ein Gas sich auf das klima auswirkt, alles auf CO2 gemittlet.

siehe grafik:

CH4 wird über die Zeit zu CO2 oxidiert. daher nimmt das GWP ab, es wird aber nie eins, da aus einem kg CH4 mehrere KG Co2 entstehen können

SF6 ist extrem persistent in der Atmosphäre und geht nicht kaputt. deshalb nimmt seine konzentration immer zu und auch sein GWP, da es länger lebt als CO2

Schwefelsäuretröpfchen in der Atmosphäre (=Aerosole) erhöhen die Albedo der Erde stark und führen so zu einer Abkühlung --> Ausbringen von Schwefel könnte Klimawandel stoppen! --> Jedoch Schwefel gefährlich, führt zu 500000 frühzeitigen Todesfälle --> Dilemma!!

--> 5.3 Mio Tonnen Schwefel würden benötigt um CO2 -Verdoppelung zu kompensieren --> 5.3 Mio Tonnen entsprechen 5% des jährlichen S-Ausstosses (Deutschland pro jahr alleine ausstoss von 0.4 Tonnen)

siehe grafik:

Reaktion 1 wird Ozonquellreaktion genannt.

Reaktionen 2& 3 laufen wesentlich schneller ab als die anderen beiden. Die Nettobilanz aus diesen beiden Reaktionen ist ein Verbrauch von Strahlung (hv = meist UV-Strahlung wenig IR-Strahlung) und eine Produktion von kinetischer Energie, was die Temperatur erhöht!

Reaktion 4 wird Ozonsenkenreaktion genannt --> wird gebraucht umd die ersten 3 Reaktionen auf lange frist auszugleichen.

90% des Sauerstoffs in der Troposphäre, 10% in der Stratosphäre. also nur 10% des Sauerstoffs kann an der Ozonrekation teilnehmen

Früher allerdings wurde Ozon auch in Bodennähe gebildet.

Ganz unten ist die Atmosphäre relativ warm, da der Boden die Strahlung der Sonne aufnimmt und sie umwandelt in Wärmestrahlung --> funktioniert also wie eine Heizplatte.

Dann nimmt die Temperatur ab, da nach oben der Luftdruck abnimmt --> Luft dehnt sich aus --> durch Ausdehnung kühlt sie ab.

Ab ca. 20 km höhe beginnt die Umwandlungsreaktion von Sauerstoff zu Ozon und Umgekehrt welche Wärme Produziert. deshalb steigt die Temperatur im folgenden wieder an.

weiter nach oben nimmt Ozon konzentration wieder ab, deshalb geht auch wärme zurück.

ab 90km höhe ist die Solare Strahlung so stark dass sogar N2 zerlegt werden kann was extrem viel wärme produziert, deshalb dort extrem heiss!

hydroxyl-Radikal (OH). Ist an den meisten Reaktionen in der Atmosphäre beteiligt und eliminiert dort gefährlich stoffe. ensteht aus Ozon und Wasser und Strahlung in der Atmosphäre

hat aber eine sehr sehr kurze lebenszeit in der Atmosphäre (ca. 1 sekunde)

Sommersmog ist die häufigste Smor-Art. Aus UV-Strahlung in Verbindung mit NO_x, CO, VOC und h2o2 bilden sich höhere Konzentrationen von Photooxidantien (O3, HNO2, usw). Da es viel UV-Strahlung braucht tritt diese Smog-art nur im Sommer auf.

Abbau von CO und die damit einhergehende Produktion von O3

\(CO + 2*O_2 + hv \rightarrow CO_2 + O_3 \)

Dabei wirken HO_x (Wasserstoffperoxide) und NO_x als Katalysatoren

Strahlugnsflussdichte = Strahlungsintensität

Berechnung über Stefan-Boltzmann: \(S_{out} = \sigma*T^4, \sigma = Stefan-Boltzmann-Konstante \)

das Verhältnis des Wasserdampfdrucks und der Temperatur in der vorherschenden Atmosphäre muss genau stimmen, damit wasser in allen 3 aggregatszuständen vorkommt. Nur dann ist gewährleistet, dass Wasser nicht extrem stark als Treibhausgas wirkt (wenn alles Wasser Dampfförmig) --> Greenhouse Runaway, oder komplett gefroren ist --> kältefalle

--> nur bei der erde sind Temperatur und Druck genau im richtigen Verhältnis zueinander

Siehe grafik: Blau = Mars, grün=Erde, rot=Venus

CO₂ ist als Gas inert, wird es allerdings in Wasser gelöst bildet sich Kohlesäure.

Niederschlag kann somit sauer werden was einen Einfluss auf die Biologie am Boden hat, da diese vom vorherrschenden pH abhängt.

ein IN --> Ice Nuclei

Der Mensch erhöht die Menge an Aerosolen in der Atmosphäre drastisch. Dies für zu folgenden Effekten

- Direkter Aerosol Effekt (wissenschaftlich Bestätgigt): mehr Aerosole führen dazu, dass ein grösserer Teil der Einfallenden Strahlung reflektiert wird. Die Albedo wird also erhöht!

- 1. indirekter Aerosol Effekt (nicht bewiesen aber als sehr wahrscheinlich eingestuft): Mehr Aerosole = mehr CloudCondensation Nuclei --> da aber immer noch gleich viel Wasser in der Atmosphäre führt dies einfach dazu das die Wolkentropfen viel kleiner und zahlreicher werden. Diese vielen kleinen Tropfen absorbieren das Licht ebenfalls besser und führen zu einer erhöhung des albedo

- 2. indirekter Aerosol Effekt (wissenschaftlich nicht bewiesen): Kleine Tröpfchen treffen sich nicht so oft und fallen auch langsamer --> Wolken leben länger --> es gibt weniger Niederschlag

Ja man könnte: Durch Impfung mit Silberiodid kann man das Wachstum der Wolkentropfen/Eiskristalle anregen --> fallen runter. Funktioniert nur bei sehr stabilen Wettersituationen: dort ist es allerdings nicht wirklich interessant. Bei Gewitter (aus denen Hagel entsteht) kann man nichts machen, da Konvektion verhindert dass man an den richtigen Stellen impfen kann. Zudem solche Wolken extrem schwierig vorherzusagen

Advektion= Heranbewegen

horizontale Zufuhr von Luft

Aufstieg erwärmter Luftmassen und gleichzeitiger Abstieg kalter Luftmassen in der Umgebung

siehe grafik

siehe grafik: reservoir angaben sind relativ --> atmosphäre gemittelt auf 1

Reservoir fossile energieträger extrem unsicher. man weiss nicht genau wie viel es hat... Z.B. fracking?

Siehe Grafik.

Erklärung:

• Molekülanzahldichte: entscheidet über Chemische Reaktivität --> je höher dichte desto reaktiver
• massendichte: technische Grösse
• Volumenmischungsverhältnis: Wichtig bei Transportprozessen
• Massenmischungsverhältnis: technische Grösse
• Säulendichte

In den Letzten 500000 Jahren kam es immer zu einem raschen Anstieg von CO2 in der Luft und dann zu einem langsamen Rückgang der CO2 konzentration. Temperaturverlauf sieht etwa ähnlich aus ABER ca 400-800 jahre vorverschoben (Also temperatur steigt an bevor CO2 Ansteigt!!)

1. Wasser muss aus den Ozeanen verdunsten und dann

2. von der Atmosphäre nach Norden oder Süden in die Kalten Regionen Transportiert werden.

3. Dort bilden sich dann Tröpfchen und schlussendlich Eiskristalle welche dann runterkommen.

--> sehr langsamer Prozess --> Übergang von Warmzeit zu Eiszeit sehr langsam da Wasser "Umweg" über Atmosphäre nehmen muss

1. Schmelzen und Abfluss

2. Abbrechen Grosser Eismassen

--> sehr schneller Prozess! Übergang Eiszeit zu Warmzeit passiert also sehr schnell

In den letzten 500000 Jahren konnte festgestellt werden, dass der CO2 anstieg erst nach dem Temperaturanstieg passiert. Allerdings noch früher zurück (milllionen jahre zurück) war es umgekehrt: CO2 stieg an und darauf folgte ein Temperaturanstieg

Es kommt immer wieder zu Periodischen schwankungen der Sonneneinstrahlung auf die Erde (Milankovic-Zyklen), diese sind vermutlich verantwortlich für den Wechsel zwischen Glacial und interglacial!

Grafik: precission= Richtungsänderung der Erdachse, Obliquity= Neigung, Eccentricity= Ellipsenform, Solar Forcing= Sonnenstrahlung

Durch den Schwefel können sich Schwefelsäuretröpfchen bilden welche als Aerosole wirken und die Atmosphäre somit kühlen. Durch die verhinderung des schwefelausstosses (welche nötig war) wurde also die atmosphäre noch zusätzlich erwärmt

Die verbrennung von Fossilen energieträgern führte in den 1920ern zu einem frühen anstieg der Temperatur. Die dadruch aber gestiegene Luftverschmutzung durch aerosole dämpfte diesen effekt durch erhöhung des albedos. Mit dem Clean air act (um die gesundheit der Menschen zu schützen) wurden viele der Aerosolquellen eliminiert wodurch die Temperatur noch mehr anstieg!

Wolken und Aerosole Kühlen,

Treibhausgase wärmen!