Chemie in der Atmosphäre

1. Chemie in der Atmosphäre

2. Einleitung • Zusammensetzung der Atmosphäre • Physikalische Grundlagen • Konzentrationen und Mischungsverhältnisse

4. CH3OOH 700 H2 500 H2O2 500 Stick-stoff 78% Ethan 500 CO2 380 NH3 400 310 N2O HCHO 300 HNO3 300 Ne 200 SO2 Sauer-stoff CO 100 100 NOx 20% He (5) 18 andere CH4 (1.8) Ozon 1% 30 H2OArgon ppb ppt ppm Zusammensetzung der Atmosphäre

5. Bedeutung der Atmosphäre für die Geochemie

6. Molare Masse von Luft und anderen Gasen Hauptbestandteile der (trockenen) Luft: µair = µii /  = 28.96 g mol-1 Weitere Bestandteile:

7. R = 8.314 J mol -1 K-1 R ist die universelle Gaskonstante in (trockener) Luft: R‘ = R/µair = 287.05 J kg-1 K-1 Die ideale Gasgleichung Annahme: Gas ist unendlich kompressibel Dann gilt: bzw.: Beispiele: Luftdruck am Boden: 1000 hPa, T=280 K  =1.244 kg m-3 Stratosphäre p=10 hPa, T=230 K  =0.015 kg m-3 Aufgaben: • Berechne die Gas“konstante“ R‘ für Wasserdampf (µH2O = 18.016 g mol-1) • Berechne die Gas“konstante“ R‘ für Venus (96% CO2 und 3% N2, 1% SO2) • Um wieviel ändert sich die Gas“konstante“ R‘ bei maximaler Luftfeuchte in den Tropen (3% H2O)?

8. Für ein ideales Gas sind Dichte und Druck additiv: Konzentration atmosphärischer Bestandteile i = mi /V ist die Moleküldichte (molecular density) eines Luftbestandteils. SI-Einheit: kg m-3, oft g m-3 (z.B. Daten aus Luftmessnetz). Die Moleküldichte wird oft auf Standarddruck und -temperatur normiert: Die Einheit wird dann als kg m-3 stp angegeben (stp=standard temperature and pressure, T0 = 273 K, p0 = 101325 Pa) pi heisst Partialdruck und wird z.B. zur Angabe stratosphärischer Ozonkonzentrationen verwendet. Umrechnung: pi = i  R‘ T

9. Massen- und Volumenmischungsverhältnis Aus dem Partialdruck oder der Moleküldichte ergibt sich einfach das Massenmischungsverhältnis (Einheit: kg/kg): ... und daraus der Molenbruch = Volumenmischungsverhältnis) (SI-Einheit: mol/mol, oft benutzt: %, Promille, ppmv, ppbv, pptv):

10. Beispiele für Spurenstoffkonzentrationen • Abendblatt, 8.4.2004 – Messungen für 7.4.2004 Schwebstaub (Aerosole): 10 µg m-3 (Grenzwert: 250) SO2: 3 µg m-3 (300) NO2: 25 µg m-3 (100) NO: 6 µg m-3 (500) CO: 265 µg m-3 (10000) O3: 58 µg m-3 (180) Wetterlage: feuchtkalt, bewölkt Annahme: T=280 K, p=1000 hPa Aufgaben: 4. Berechne die Partialdrücke für diese Konzentrationen (außer Schwebstaub) 5. Berechne die Massen- und Volumenmischungsverhältnisse 6. Welchem Partialdruck und Volumenmischungsverhältnis würde die gemessene Bodenozonkonzentration in der Stratosphäre (p=5 hPa, T=250 K) entsprechen?

11. Konzentrationsbereich Stickoxide NOx = NO+NO2 Hamburg, 8.4.2004 volume mixing ratio [ppb] Süd-Pazifik, März 1999

12. Teilchenzahldichte Schliesslich benutzt man manchmal auch die Teilchenzahldichte (Einheit Moleküle m-3, oft auch Moleküle cm-3): Dabei ist NA = 6.0225·1023 Moleküle mol-1 die Avogardozahl. kB heisst Boltzmannkonstante. Die Teilchenzahldichte von Luft ist gegeben durch: Aufgaben: 7. Wie viele mol Luft enthält 1 m3 bei T=280 K und p=1000 hPa? 8. Was ergibt sich daraus für eine Luftdichte?

13. Zonaler Schnitt T-Profil from Warneck, 1980

14. Beispiele Aufgaben: 9. Eine Ozonsonde misst einen Partialdruck von 6·10-3 Pa bei einem Luftdruck von 20 hPa. Berechne das Volumenmischungsverhältnis und die Teilchenzahldichte (T=225K). 10. Um wieviel ändert sich die Dichte trockener Luft, wenn 2% Wasserdampf hinzugefügt werden? 11. Berechne die Teilchenzahldichte von Luft für verschiedene Punkte der Atmosphäre (benutze die Abbildung „Zonaler Schnitt T-Profil“ um Temperaturen und Drücke zu bestimmen): a) polare Breiten am Boden im Winter/Sommer b) mittlere Breiten in Bodennähe c) Äquator in Bodennähe d) Tropopause (dicke gestrichelte Linie) in mittleren Breiten e) Tropopause am Äquator f) am tropischen Temperaturmaximum in der Stratosphäre im Januar

15. Einheiten und Konstanten Volumenmischungsverhältnis: 1 ppmv = 1 mol/mol = 10-6 mol/mol „parts per million“ 1 ppbv = 1 nmol/mol = 10-9 mol/mol „parts per billion“ 1 pptv = 1 pmol/mol = 10-12 mol/mol „parts per trillion“ Konstanten: durchschnittlicher Erdradius a = 6.37·106 m Erdbeschleunigung g = 9.80665 m s-2 Avogardozahl NA = 6.0225 ·1023 molec./mol Molekulargewicht von (trockener) Luft mair = 28.97 g mol-1 Dichte (trockener) Luft bei 273K und 1013.25 hPa air = 1.293 kg m-3 spezifische Wärme von Luft cp = 1004 J kg-1 K-1, cv = 717 J kg-1 K-1 universelle Gaskonstante R = 8.3143 J K-1 mol-1 Gaskonstante von Luft R = cp - cv = 287.05 J K-1 kg-1 „Kappa“  = R/cp = 0.285 Latente Wärme von Wasser (0°C) L = 2.5·106 J kg-1

16. Bibliographie - Allgemeine Lit. • Hartmann, D.L., Global Physical Climatology, Academic Press, San Diego, ..., 1994. • Warneck, P., Chemistry of the Natural Atmosphere, International Geophysics Series, Academic Press, 1988. • Seinfeld, J., and Pandis, S., Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, Wiley, New York, …, 1998. • Finnlayson-Pitts, B., and Pitts, Atmospheric Chemistry: Fundamentals and Experimental Techniques, Wiley, New York, …, 1986. • Jacob, D., Introduction to Atmospheric Chemistry, Princeton University Press, 1999.online at: http://www-as.harvard.edu/people/faculty/djj/book/