Klima - Deutsche Meteorologische Gesellschaft

Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017

Chemie – (Aerosol) – Klima – Wechselwirkungen

Gute Luft – Schlechtes Klima

Holger TostInstitut für Physik der Atmosphäre, JGU Mainz


Unser Erdsystem


Wachsender CO2 Gehalt der

Atmosphäre


Wachsender CO2 Gehalt der Atmosphäre


Der Treibhauseffekt


Ursache für den Treibhauseffekt


IPCC climate forcing

IPCC AR5 , 2013


Langlebige Treibhausgase werden hauptsächlich durch Emissionen

und stratosphärische Chemie kontrolliert

IPCC AR5, WG I, Chap8 , 2013

Kurzlebige Treibhausgase werden durch Emissionen und

Troposphärische Chemie kontrolliert

IPC

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Aerosolpartikel werden durch Emissionen, Phasenübergänge zwischen

Gas und Aerosolphase und

physikalische und chemische Prozessierungkontrolliert


ESCiMoEarth System Chemistry integrated Modelling

● “Deutsche” Konsortialinitiative zur Modellierung atmosphärischer Chemie

● Beiträge zu CCMI (Chemistry Climate Model Intercomparison) und damit dem nächsten IPCC Bericht



Jöckel et al., 2006


Methan (CH4) und

seine chemischen Wechselwirkungen


Methan (CH4) und

seine Strahlungseinflüsse

CH4 ist ein effektives Treibhausgas mit einer Effizienz des 60fachen von CO

2.


CH4 Quellen bzw.

Oberflächenkonzentrationen



CH4 in der oberen Tropopsphäre



CH4 Lebenszeit als Maß für

Oxidationskapazität der Atmosphäre

Je höher die Methan-Lebensdauer, desto weniger OH ist in der Atmosphäre:1) CH4 bleibt länger in der Atmosphäre stärkerer →Treibhauseffekt2) Luftschadstoffe bleiben länger in der Atmosphäre

schlechtere Luftqualität.→Jöckel et al., 2016


OH – das “Waschmittel” der Atmosphäre106 cm-3


Erhöhtes OH durch NOx

ppt


Erhöhtes OH durch NOx

Schiffsroute

Industrie

Biomasseverbrennung

ppt


NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog


NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog

Erhöhtes NOx

→ Ozonbildung (Treibhausgas)

→ erhöhtes OH

→ reduzierte CH4 Lebensdauer

→ weniger CH4 (Treibhausgas)

Aber:

O3 und NO

x sind Luftschadstoffe

Photosmog → Partikelbildung (SOA)

→ Feinstaubbelastung


Effekte von Aerosolpartikeln

Asche Pollen Salze Ruß

https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Aerosols/images/aerosol_micrographs.jpg


Aerosol Phasen Partitionierung

Wenn Aerosolpartikel existieren, werden einige semivolatile bzw. lösliche Komponenten ganz oder teilweise in die Partikel aufgenommen.

→ Veränderung der Zusammensetzung der Luft (Gasphase)

Hygroskopische Materialien ziehen zusätzlich Wasser an.

→ Partikel wachsen.

Austausch hängt von Partikelvolumen, Oberfläche pH-Wert, etc. ab.


Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH

4 Lebenszeit

Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel



Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen

from http://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/aerosols



Tost, 2017



from http://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/aerosols



Tost, 2017



4 Lebenszeit

Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel

Aerosol-Wolken und Aerosol-Strahlungswechsel-wirkungen verändern ebenso die Zusammensetzung der Luft




4 Lebenszeit

Dru

ckhö

he (

hPa)

Tost et al., 2015


NO3

- Aerosole an der Erdoberfläche

µg/m3

Pringle et al., 2010


SO4

2- Aerosole an der Erdoberfläche

µg/m3



Viele Aerosolpartikel→ starke Kühlungµg/m3



Viele Aerosolpartikel→starke Luftverschmutzungµg/m3


from: https://www.nytimes.com/2016/03/31/world/asia/china-air-pollution-beijing-shanghai-guangzhou.html

Dec 2016


Hohe Luftverschmutzung → Gesundheitsbelastung

Lelieveld et al., 2015


Aerosol -Komponenten - Wechselwirkungen

Erhöhte SO2 Emissionen, z.B. aus Vulkanen

beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe.

Tost et al., 2015


Aerosol - Komponenten - Wechselwirkungen

Erhöhte SO2 Emissionen, z.B. aus Vulkanen

beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe und diese haben auch große Klimawirksamkeit.

Tost et al., 2015

Brühl et al., 2015

auf 185 hPa


Natürliche Aerosol – Chemie – Klimawechselwirkung Aerosol – Nitrat – Bildung aus Blitzen


Gemeinsames Auftreten von hohen NOx Werten ohne Luftverschmutzung (SCIAMACHI) und Blitzen (WWLLN)

Beirle et al., ACP, 2010

NOx Produktion durch Blitze


Von LNOx zu Aerosolpartikeln

Tost, 2017


Simulierte Blitze und ihre Emissionen

Simulierter Jahresmittelwert der Blitzfrequenz [#/(m2s)]

Gute Übereinstimmung der simulierten Blitzverteilung

mit LIS/OTD Daten (Tost et al., ACP, 2007)


Simulierte LNOx Emissionen und AerosolnitratIsosurfaces von 1 bzw. 3*10-16kg/(m3s) (Emissionen) bzw. 0.1 ppbv (Nitrat)

Gesamtemission: 6 Tg N/yr


Einfluss von LNOx Emissionen auf Aerosolnitrat

Simulierte relative Änderung in Aerosolnitrat und Nitrat-Säulendichte in der UTIsosurfaces von 30 %, 45 %, and 60 % Erhöhung durch LNOx Emissionen


Strahlungsfluss – Störung aufgrund von LNOx Emissionen

Regionale positive und negative absolute Unterschiede in der ausgehenden kurzwelligen Strahlung am Oberrand der Atmosphäre aufgrund der LNO

x Emissionen


Unsicherheitsbetrachtung in der Strahlungsfluss – Störung aufgrund von LNO

x Emissionen

● Heutige (links) und vorindustrielle (rechts) Bedingungen:

● Wie oben, aber mit alternativem Wolkenaktivierungsschema:

● Räumliche Variabilität

● Zeitliche Variabilität

-64 mW/m2 -60 mW/m2

-105 mW/m2 -146 mW/m2

Abgeschätzte Gesamtunsicherheit: 50 mW/m2


Take Home Messages

● Neben CO2 ist Methan ein bedeutsames Treibhausgas.

● Viele Arten von Aerosolpartikeln tragen zu einer Abkühlung der bodennahen Atmosphäre bei.

● Luftverschmutzung hat oft positive Auswirkungen auf die globale bodennahe Erwärmung.

● Luftverschmutzung durch Gase und Aerosole hat aber starkes Gesundheitsgefährdungspotential.

● Es existiert eine Vielzahl von Chemie-(Aerosol)-Klima-Wechselwirkungen.

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