Chlorchemie on Ice
Über 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
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Die Atmosphäre
Einteilung der Atmosphäre in
Schichten
Atmosphäre aus dem All
Die Atmosphäre
Absorption von kurzwelligem Licht durch
Stickstoff, Sauerstoff und Ozon
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Die Atmosphäre
Temperaturprofil der Atmosphäre
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Die Atmosphäre
Polare Stratosphärenwolken (PSC)
Kiruna / Schweden
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Die Atmosphäre
Chapman - Reaktionen
(Gleichgewicht)
Natürliche Ozonbildung und
-abbau in der Stratosphäre
Erdgeschichtliche Ozonbildung:
Folge der O2-Freisetzung zw. 2000 - 600 Mio. Jahren vor der heutigen Zeit
 Entstehung der Biosphäre bzw. des Lebens
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
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Die Atmosphäre
Die Dicke der Ozonschicht:
- zw. 18 und 40 km Höhe deutlich mehr Ozon als in der Troposphäre und Mesosphäre
- Anteil des Ozons relativ zu N2 und O2 immer noch äußerst gering
(1 : 10 5 )
Ozon-Höhenprofil
85 - 90% des atmosphärischen Ozons
befinden sich in der Stratosphäre
Konzentration des Ozons vor allem in der
unteren Stratosphäre
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Die Atmosphäre
Messung der gesamten Ozonsäule:
Dobson units (DU)
Dobson Spektrometer
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Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW, CFC, Freone)
- voll halogenierte Kohlenstoffverbindungen
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
Primärquellen des Chlors
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Erforschung des Mechanismus des Ozonabbaus durch Chlorradikale
"for their work in atmospheric chemistry,
particularly concerning the formation and
decomposition of ozone"
Komplexe Bedingungen:
1) extrem niedrige Temperaturen (-80°C)
2) Sonnenlicht (UV-B Strahlung)
3) Polarwirbel
Kettenreaktion
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Stratosphärische Chlorchemie
- Grundlagen
Radikalbildung:
1) Photolyse (Bildung von Cl·)
2) Oxidation (zu ClO·)
kettenauslösendes Radikal:
 Recycling
 Bildung von Reservoir-Spezies
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Stratosphärische Chlorchemie
- Grundlagen
Radikal-Senken:
mit NO2 Bildung von ClONO2
(Reservoir-Spezies 1)
z.B. M = N2
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Stratosphärische Chlorchemie
- Grundlagen
Radikal-Senken:
mit NO und CH4 Bildung von HCl
(Reservoir-Spezies 2)
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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
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Stratosphärische Chlorchemie
- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs
2) Katalytische Wirkung der PSC:
HCl + ClONO2  Cl2 + HNO3
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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)
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Stratosphärische Chlorchemie
- 5 Schlüsselbedingungen zur Entstehung eines Ozonlochs
Höhe
5) Polarwirbel:
Bildung der Chlorspezies
(Cl·, ClO· und Cl2O2) in der
oberen Stratosphäre
Ozon ist in der
unteren Stratosphäre konzentriert
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/)
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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
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Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
Ozonloch über der Antarktis 1998
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Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
Änderung des Ozon-Partialdrucks über der Antarktis 2001
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Zeitliche Entwicklung der atmosphärischen Ozonkonzentration
Ozon-Messreihe von Arosa (Schweiz, P. Götz)
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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
CFC-12
SH ...südliche Hemisphäre
CFC-11 (CFCl3):
ΔHdiss (C-Cl) = 318 kJ · mol-1,  = 45 a
CFC-11
CFC-12 (CF2Cl2):
ΔHdiss (C-Cl) = 338 kJ · mol-1,  = 100 a
Montrealer Protokoll (1987) über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen; Folgeprotokolle.
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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
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Die Zukunft des Ozonlochs
- Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration
ODP ...ozone depletion potential
GWP ...global warming potential
Vergleich zwischen FCKW und H-FCKW bzgl. ODP und GWP
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)
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Die Zukunft des Ozonlochs
- Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch
Abkühlung der Stratosphäre (etwa 0,5°C pro Jahrzehnt)
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
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Die Zukunft des Ozonlochs
- Einfluss der globalen Erwärmung auf das Ozonloch
Zeitliche Entwicklung der Temperatur in der unteren Stratosphäre
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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

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