Prof. Dudley Shallcross, ACRG

Tim Harrison, Bristol ChemLabS

2008

Die Geschichte eines Schadstoffs

German translation: Feb. 23, 2015German translation: Feb. 23, 2015

2 Übersicht des VortragsÜbersicht des Vortrags• Vergleich der Erde mit

anderen Planeten

• Stickstoff und Sauerstoff

• Verlauf der Temperatur

• Troposphärische Schadstoffe

3Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten

Jupiter H2 (93%) He (7%) CH4 (0,3 %)

Saturn H2 (96%) He (3%) CH4 (0,45 %)

Uranus H2 (82%) He (15%) CH4 (2,3 %)

Neptun H2 (80%) He (19%) CH4 (1-2 %)

Venus CO2 (96%) N2 (3,5%) SO2 (0,015 %)

Mars CO2 (95%) N2 (2,7%) Ar (1,6 %)

Erde N2 (78%) O2 (21%) Ar (0,93 %)

4 Stickstoff (N2)

NN Bindungsenergie = 944 kJ/mol

78% unserer Atmosphäre sind inert

Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei – 196 OC

Farb- und geruchlos

TGH

5

BakterienhaufenFoto: Dr. Hazel Mottram

6 Sauerstoff (O2)

O=O Bindungsenergie = 496 kJ/mol

21% der Atmosphäre

Gasförmig bei 25 OC, flüssig bei -183 OC

Farb- und geruchlos

Photosynthese ist die Hauptquelle für O2:

6CO2 + 6H2O + Sonnenlicht C6H12O6 + 6O2

2H2O2 2H2O + O2

TGH

7

“Spirale des Lebens”

Foto: Dr. Adrian Mulholland

8

(Thermosphäre)(Thermosphäre)

(Mesosphäre)(Mesosphäre)

(Stratosphäre)(Stratosphäre)

(Ozon(Ozon Maximum)Maximum)

(Troposphäre)(Troposphäre)

Höh

e

Temperatur

9 Chemie der Luft in der Stadt10 km

NO, NO2, VOC

VOC

?

0 kmStoffe biogenen und menschlichen Ursprungs

1 km

Die Tropopause

Die Grenzschicht

10Was passiert mit den flüchtigen Kohlenwassertstoffen

(VOC, volatile organic compounds)?

• Pflanzen, darunter Bäume, emittieren eine breite Palette an

organischen Stoffen: Alkene, Alkohole, Carbonyle (Aldehyde,

Ketone), Säuren

• Fahrzeuge emittieren Kohlenwasserstoffe und aromatische Spezies

Viele dieser Stoffe sind wasserunlöslich und werden nicht

ausgeregnet; Wie werden sie aus der Atmosphäre entfernt?

TGH

11 Verbrennung bei hoher Temperatur

VOC können in Luft oxidiert (verbrannt) werden nach

folgender Reaktionsgleichung (Beispiel):

CaC2 + 2H2O Ca(OH)2 + C2H2

C2H2 + (5/2)O2 2CO2 + H2O

CH3OH + (3/2)O2 CO2 + 2H2O

Die Atmosphäre oxidiert VOC mithilfe freier Radikale

12

O3 + Sonnenlicht O * + O2 < ~ 330 nm

O* + H2O OH + OH

OH + R-H R + H2O

VOC werden vom OH Radikal abgebaut,

welches sich aus Sonnenlicht bildet

13 Messung von Stickoxiden in der Luft von Bristol

Verbrennung ist die Hauptquelle von NO2

(NO wird in der Luft zu NO2 oxidiert) TGH

NO Bristol 20th January 2001

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Hour

NO

pp

b

Messung von NO am 20.01.2001 in Bristol

Stunde

NO

(pp

b)

14

NO2 + Sonnenlicht O * + NO < ~ 400 nm

O* + O2 O3

TGH

Photochemischer Smog

15 Photochemischer Smog in Bristol: 27/07/2001

Ozone episode 27th July 2001 Bristol area

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

hour of day

NO

an

d O

3 p

pb

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

CO

pp

m

NO

O3

CO

NO

und

O3 (

ppb)

CO

(pp

m)

Stunde

16 CO2 Messungen in Bristol

CO2 wurde über mehrere Jahre im Old Park Hill gemessen.

17 CO2 Messungen in Bristol

CO2 Minima (Stundenwerte)

Datum

18 Langzeitmessungen von CO2

CO2 Messungen

wurden bei Mauna

Loa (Hawaii) für einige

Jahre durchgeführt.

Man erkennt einen

stetigen Anstieg.

CO2 Gehalt der Luft bei Mauna Loa (ppm)

19 Der verstärkte Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt

Ein Großteil der Strahlung wird von der Erdoberfläche absorbiert und erwärmt diese

Ein Teil der Strahlung wird von der Erde und der Atmosphäre reflektiert

Infrarotstrahlung wird von der Erdoberfläche emittiert

Ein Teil der Infrarotstrahlung passiert die Atmosphäre, und ein Teil wird von Treibhaus-gasen absorbiert und in alle Richtungen re-emittiert. In der Folge erwärmen sich die Erdoberfläche und die untere Atmosphäre

Sonnen-strahlung passiert die klare Atmosphäre

20

Secrets in the Ice

• Schnee “vergräbt” und archiviert Nachweise für

Zustände der Umwelt.

• Er wird zu Eis verdichtet und koserviert die Daten.

• Man kann nach Eiskernen und Daten bohren.

Geheimnisse im Eis

21 CO2 Niveau der letzten 1000 Jahre

Gase werden aus eingeschlossenen Blasen extrahiert (diese sind in den Eiskernen “gefangen”). Sie geben Aufschluss über

die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre.

CO

2 Geh

alt (

ppm

)

Jahr

Südpol

22

FroschchorFoto: Dr. Simon Hall

23 Methan (CH4) and Lachgas (N2O)

JahrJahr

CH

4 (

ppb)

N2O

(pp

b)

Str

ahlu

ngsa

ntrie

b (W

/m²)

Str

ahlu

ngsa

ntrie

b (W

/m²)

Global (errechnet)

Jahr

24Anstieg der globalen Temperatur

Tem

per

atur

ände

rung

(°C

)

Mittlere Oberflächentemperatur der Luft (Jahresmittel), relativ zum Ende des 19. Jahrhunderts

25 Auswirkungen der globalen Erwärmung

• Änderungen– Niederschläge– Meeresniveau– Extrema im Wetter

19412004

26

Modellrechnungen des jüngeren Klimas

Nur natürliche Treiber(Variabilität von Sonne,

Vulkanen, etc.)

Nur anthropogene Treiber (Änderungen, die durch

menschliches Handeln bedingt sind)

The Met Office

Tem

per

atur

anom

alie

(°C

)

Tem

per

atur

anom

alie

(°C

)

Simulation (Modell)Messungen

Simulation (Modell)Messungen

27 Berechnete globale Erwärmung von 1860-2000:Natürliche und menschenbedingte Faktoren

Gemessen

Simulation (Modell)

Tem

pera

ture

ris

e

o C

0,0

0,5

1,0

1850 1900 1950 2000

Hadley CentreTem

pera

tura

nstie

g (°

C)

28Impacts of Climate on the world: Temperature

Änderungen der mittleren Oberflächenlufttemperaturen Dezember-Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)

Einheit: °C Mittelwert: 3,3; Minimum: -0,3; Maximum: 17,7

Einfluss des Klimas auf die Welt: Temperatur

29Impacts of Climate on the World: RainfallEinfluss des Klimas auf die Welt: Niederschläge

Änderungen der mittleren Niederschläge Dezember-Jänner-Februar von 1960-1990 auf 2070-2011 (HadCM2, IS92a)

Einheit: mm pro Tag Mittelwert: 0,2; Minimum: -6,0; Maximum: 8,5

Stabilisierungs-Keile

wedgewedge = Keil= Keil

Jahr

JahrE

mis

sion

en v

on f

ossi

len

Tre

ibst

offe

n (G

tC/J

ahr)

Em

issi

onen

von

fos

sile

n T

reib

stof

fen

(GtC

/Jah

r)

Stabilisierungs-dreieck

Weitere CO2 Emissionen von fossilen Treibstoffen

GtC = Gigatonnen Kohlenstoff = 109 Tonnen C

Szenario 1: 1,5% pro Jahr exponentielles Wachstum

Szenario 2: Stabilisierung bei 500 ppm CO2 in der Atmosphäre

Szenario 1

Szenario 2

50 Jahre 1 G

tC/J

ahr

In Summe 25 GtC

20552005

14

7

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr

1955

0

Historische Emissionen

2105

Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien

20552005

14

7

1955

02105

Die Stabilisierungskeile – 2 Szenarien

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr

Historische Emissionen

14

7

0

Derzeit v

orherg

esagter Pfad

Flacher Pfad

205520051955 2105

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr

Historische Emissionen

14

7

0

Stabilisierungs- dreieck

Einfaches CO2 Ziel

~850 ppm

Härteres CO2 Ziel

~500 ppm

205520051955 2105

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr

Historische Emissionen

Derzeit v

orherg

esagter Pfad

Flacher Pfad

14

7

0

14 GtC/Jahr

7 GtC/Jahr

Sieben “Keile”

205520051955 2105

Emissionen Kohlenstoff in Milliarden Tonnen pro Jahr

Historische Emissionen

Derzeit v

orherg

esagter Pfad

Flacher Pfad

Heute verfügbare Technologien für die Keile

• Verbesserung der Treibstoffeffizienz• Reduktion der Abhängigkeit von PKW• Energieeffizientere Gebäude• Effizientere Kraftwerke• Weniger Kohlenstoff für Strom und Treibstoffe

(“Dekarbonisierung”)• Ersatz von Kohle durch Erdgas• Kernspaltung• Windstrom• Photovoltaik• Biotreibstoffe• Carbon capture and storage (CCS, Kohlenstoff-

Abscheidung und –Speicherung)

37Die 3 häufigsten Gase in der Atmosphäre der Planeten

Jupiter H2 (93%) He (7%) CH4 (0,3 %)

Saturn H2 (96%) He (3%) CH4 (0,45 %)

Uranus H2 (82%) He (15%) CH4 (2,3 %)

Neptun H2 (80%) He (19%) CH4 (1-2 %)

Venus CO2 (96%) N2 (3,5%) SO2 (0,015 %)

Mars CO2 (95%) N2 (2,7%) Ar (1,6 %)

Erde N2 (78%) O2 (21%) Ar (0,93 %)

TGH

38 Danksagung

Bristol ChemLabS

British Council

Sci Fest Africa 2008

t.g.harrison@bris.ac.uk

d.e.shallcross@bris.ac.uk

http://www.chemlabs.bris.ac.uk/outreach