Chlorchemie on IceÜber polare Stratosphärenwolken und den Ozonabbau

Vortrag von Markus Seidl am 8. Juni 2006,

basierend auf www.espere.net

Download: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/4hj.html

Einleitung

Atmosphäre, polare Stratosphärenwolken

stratosphärisches Ozon

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)

Abbau der Ozonschicht durch FCKW

Reaktionsgleichungen

Mechanismus

Forschungsergebnisse und Diskussion

Zeitliche Entwicklung der Ozonkonzentration in der Atmosphäre

Die Zukunft des Ozonlochs

Die Atmosphäre

Atmosphäre aus dem All

Einteilung der Atmosphäre in Schichten

3

Die Atmosphäre

Absorption von kurzwelligem Licht durch Stickstoff, Sauerstoff und Ozon

4

Die Atmosphäre

Temperaturprofil der Atmosphäre

5

Die Atmosphäre

Polare Stratosphärenwolken (PSC)

6

Kiruna / Schweden

Die Atmosphäre

Chapman - Reaktionen (Gleichgewicht)

7

Erdgeschichtliche Ozonbildung:

Folge der O2-Freisetzung zw. 2000 - 600 Mio. Jahren vor der heutigen Zeit Entstehung der Biosphäre bzw. des Lebens

Natürliche Ozonbildung und -abbau in der Stratosphäre

Die Atmosphäre

UV-Licht führt zur Ozonbildung, es wird durch Ozon aber auch absorbiert - Konsequenzen:

1) Licht erreicht die unteren Atmosphärenteile nicht

2) Begrenzte Ozonmenge (Gleichgewicht)

3) Wärmestrahlung heizt die Stratosphäre auf

8

Die Atmosphäre

Die Dicke der Ozonschicht: - zw. 18 und 40 km Höhe deutlich mehr Ozon als in der Tropo- sphäre und Mesosphäre

- Anteil des Ozons relativ zu N2 und O2 immer noch äußerst gering (1 : 10 5 )

9

Ozon-Höhenprofil

85 - 90% des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre

Konzentration des Ozons vor allem in der unteren Stratosphäre

Die Atmosphäre

Dobson Spektrometer

Dobson units (DU)

10

Messung der gesamten Ozonsäule:

Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone)

- voll halogenierte Kohlenstoffverbindungen

Primärquellen des Chlors

Klimaschädigende Wirkung:

1) Ozonabbau in der Stratosphäre, extrem unter Schlüsselbedingungen (ODP)

2) als Treibhausgase mit einem sehr hohen Erderwärmungspotential, hoher positiver Strahlungsantrieb (GWP)

keine natürlichen Quellen (haben größten Einfluss auf das Klima):

CFC-11 (CFCl3),

CFC-12 (CF2Cl2) und

CFC-113 (CF2ClCFCl2)

trop. Lebensdauer: ca. 50-100 Jahre

natürliche Chlorquelle:

CH3Cl (Methylchlorid)

trop. Lebensdauer: ca. 1,3 Jahre

11

Erforschung des Mechanismus des Ozonabbaus durch Chlorradikale

Komplexe Bedingungen:

1) extrem niedrige Temperaturen (-80°C)

2) Sonnenlicht (UV-B Strahlung)

3) Polarwirbel

"for their work in atmospheric chemistry,

particularly concerning the formation and

decomposition of ozone"

12

Kettenreaktion

Stratosphärische Chlorchemie

- Grundlagen

Radikalbildung:

1) Photolyse (Bildung von Cl·)

2) Oxidation (zu ClO·)

kettenauslösendes Radikal:

Recycling

Bildung von Reservoir-Spezies

13

Stratosphärische Chlorchemie

- Grundlagen

Radikal-Senken:

mit NO2 Bildung von ClONO2

(Reservoir-Spezies 1)

14

z.B. M = N2

Stratosphärische Chlorchemie

- Grundlagen

Radikal-Senken:

mit NO und CH4 Bildung von HCl

(Reservoir-Spezies 2)

15

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

1) Entzug der Stickstoffkatalysatoren:

·NO + O3 ·NO2 + O2

·NO2 + ·NO3 + M* N2O5 + M

N2O5 + H2O 2 HNO3

16

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

2) Katalytische Wirkung der PSC:

HCl + ClONO2 Cl2 + HNO3

17

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

3) Sonnenlicht (Ende der Polarnacht):

Cl2 + hν 2 Cl·

4) katalytische Kettenreaktion:

2 Cl· + 2 O3 2 ClO· + 2 O2

2 ClO· + M Cl2O2 + M

Cl2O2 + hν Cl· + ClO2· 2 Cl· + O2

______________________________________

2 O3 + hν 3 O2 (Netto)

18

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

5) Polarwirbel:

Bildung der Chlorspezies

(Cl·, ClO· und Cl2O2) in der

oberen Stratosphäre

Ozon ist in der

unteren Stratosphäre konzentriert

19

Höhe

Ozonkonzentration

keine starke Ozonreduktion erwartet aber: Durchmischung !!

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

Ozonloch im Polarwirbel

(5. Juli bis 1. Oktober 1998, http://toms.gsfc.nasa.gov/)

20

Stratosphärische Chlorchemie

- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs

Zusammenwirken aller Schlüsselbedingungen

Ozonlochbildung über der Antarktis: jährlich im Sept./Okt. (antarkt. Frühling)

am Ende der Polarnacht

Bildung eines kleineren Ozonlochs über der Arktis: in manchen Jahren im März

Im weiteren Jahresverlauf: Polarwolken lösen sich & Zusammenbruch des Polarwirbels

NOx wieder verfügbar (fangen die Chlorradikale ab)

Ozonschicht erholt sich

21

Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration

Ozonloch über der Antarktis 1998

22

Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration

Änderung des Ozon-Partialdrucks über der Antarktis 2001

23

Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration

Ozon-Messreihe von Arosa (Schweiz, P. Götz)

24

Die Zukunft des Ozonlochs

- Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration

Zeitliche Entwicklung der Konzentration von CFC-11 und CFC-12 in der Atmosphäre

NH ...nördliche Hemisphäre

SH ...südliche Hemisphäre

25

Montrealer Protokoll (1987) über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen; Folgeprotokolle.

CFC-12

CFC-11

CFC-11 (CFCl3):

ΔHdiss (C-Cl) = 318 kJ · mol-1, = 45 a

CFC-12 (CF2Cl2):

ΔHdiss (C-Cl) = 338 kJ · mol-1, = 100 a

Die Zukunft des Ozonlochs

- Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration

Neuere Trends für CFC-11 und CFC-12

Konzentrationsmaxima (Erdoberfläche): CFC-11 (45 Jahre) 1994

CFC-12 (100 Jahre) 2004

26

Die Zukunft des Ozonlochs

- Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration

Vergleich zwischen FCKW und H-FCKW bzgl. ODP und GWP

ODP ...ozone depletion potential

GWP ...global warming potential

27

Die Zukunft des Ozonlochs

- Einfluss des Ozonlochs auf den Strahlungshaushalt der Erde

Abnahme der Ozonkonzentration führt zu 2 gegenläufigen Effekten:

1) pos. Strahlungsantrieb durch UV-B Durchlässigkeit der Stratosphäre

2) neg. Strahlungsantrieb durch Verringerung des Wärmetransports in die Troposphäre (überkompensiert Punkt 1 aufgrund der Albedo)

negativer Strahlungsbeitrag (leichte Abkühlung)

28

Die Zukunft des Ozonlochs

- Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch

Abbau des stratosphärischen Ozons

geringere UV-Absorption führt zu weniger Wärmestrahlung

reduzierter Treibhauseffekt, v.a. in der unteren Stratosphäre

Globale Erwärmung der Troposphäre durch den Anstieg an Treibhausgasen

v.a. eine hohe CO2-Konzentration in der Nähe der Erdoberfläche reduziert die IR- Intensität in der unteren Stratosphäre

in dieser wird die emittierte Energie größer als die absorbierte Energie

Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt)

29

Die Zukunft des Ozonlochs

- Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch

Zeitliche Entwicklung der Temperatur in der unteren Stratosphäre

30

verwendete Literatur

http://www.espere.net

http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/1995/index.html

http://www.uneptie.org/ozonaction/

http://toms.gsfc.nasa.gov/

Koß, Volker: Umweltchemie - Eine Einführung für Studium und Praxis. Springer, 1997.

weiterführende Literatur

http://www.unep.org/ozone/pdf/qa.pdf

http://ozone.unep.org

http://ozone.gi.alaska.edu/index.htm

http://www.meteoros.de/psc/psc.htm

http://www.bmu.de/luftreinhaltung/ozonschicht_ozonloch/linkliste/doc/2568.php

Download http://www.atmosphere.mpg.de/enid/4hj.html

Danke für das Interesse an meinem Vortrag