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

TE

KE

et a

l., D

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reib

haus

effe

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tehe

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