2.2 Treibhausgase und Klima

Klima

Durchschnittlicher Zustand der Atmo- sphäre an einem Ort über einen längeren Zeitraum (30 Jahre), der anhand meteorologischer Daten be- schrieben wird. � Wetter (Stunde), Wetterlage (Tag), Witterung (Tage - Wochen)

Klimafaktoren

geographische Breite (� Globalstrahlung) Lage zum Meer Höhenlage, Lage zu Gebirgen Bodenbedeckung

Kreisläufe und Zirkulationssysteme

Klimaelemente (messbar):

Lufttemperatur Wind Luftdruck Niederschlag Luftfeuchtigkeit Verdunstung Globalstrahlung

Globalstrahlung Schwankung durch Einfallswinkel und Exzentrizität der Erdbahn um die Sonne

Sommer Winter Solarkonstante E0 = 1367 W/m2

langjährig gemittelte Bestrahlungsstärke der Sonne auf eine Fläche von 1 m2, senkrecht zur Einstrahlung und unter Vernachlässigung der Atmosphäre

Mitteleuropa: Sommermittag bei wolkenlosem Himmel � ca. 900 W/m² bedeckter Himmel und trübes Wetter � ca. 100 W/m²

Neigung 23,5 °

Jahressumme Deutschland zwischen 900 und 1200 kWh/m² (� 100 bis 135 W/m²)

Spanien ca. 2.000 kWh/m² (� 230 W/m²)

in der Sahara ca. 2.500 kWh/m² (� 285 W/m²). Berechnen Sie die mittlere jährliche Globalstrahlung in Berlin-Tempelhof in MJ/m2 und kWh/m2, wenn die mittlere jährliche Bestrahlungsstärke (Strahlungsintensität) 111,8 W/m2 beträgt!

H = E ⋅ t H Bestrahlung in J/m2

E Bestrahlungsstärke in W/m2

T Bestrahlungszeit in s

• Natürlicher Treibhauseffekt

Die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenstrahlung wird dort in Wärme- energie umgewandelt.

� Abstrahlung als Wärmestrahlung (IR- Strahlung) von der Erde Der größte Teil dieser Wärmestrahlung wird nicht ins Weltall transportiert, sonderen von einigen Spurengasen (Treibhausgase) absorbiert und gespei- chert.

� signifikante Beeinflussung des Wär- mehaushalts der Atmosphäre

� Einfluss auf Temperatur und Klima, Erwärmung der Erde um insges. 33 °C

(Mittelwert + 15 °C � - 18 °C)

Wichtige klimarelevante natürliche Spurengase H2O(g) Wasserdampf

CO2 Kohlendioxid

CH4 Methan

N2O Lachgas

O3 Ozon

Natürlicher Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)

Ungehinderte Sonnenein- strahlung und Wärmeab- strahlung

Treibhaus Atmosphäre

� Unveränderte Einstrahlung, Reflektion Wärmestrahlung � steigende Oberflächentemperatur, höhere Abstrahlung � neues thermisches Gleichgewicht, höhere Oberflächen- temperatur

Natürlicher Treibhauseffekt

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

400 500 600 700 λ/nm

kosmische γ-Strahlen Röntgenstrahlen UV Infrarotstrahlen Mikrowellen Radiowellen

-14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 lg λ/m

1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m

Radioaktivität C B A Wärmestrahler Mobilfunk

+242He p1

1 Röntgenröhre Sonne CD Radar Rundfunk

Sichtbares Licht

Spektrale Strahlungsintensität der solaren Einstrahlung und terrestrischen Ausstrahlung

Absorptionsspektren der Spurengase H2O, CO2 und O3

Wirkung der Treibhausgase

Treibhausrelevante Spurengase sind Mo- leküle mit drei oder mehr Atomen, die die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) der Erde absorbieren können.

Die absorbierte Energie wird in Form von Molekülschwingungen und/oder -rotationen gespeichert (Erhöhung der kinetischen Energie).

Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandteile der Atmosphäre, sind zweiatomige Moleküle ohne Dipolmoment und absorbieren daher keine Infrarot- strahlung!

Fundamentalschwingungen eines CO2-Moleküls

symmetrische Streckschwingung

asymmetrische Streckschwingung

Knickschwingung

• Zusätzlicher (anthropogener) Treibhauseffekt

Der zusätzliche oder anthropogene Treibhauseffekt wird durch die Aktivitä- ten des Menschen verursacht. Sein Anteil an der gesamten Temperaturerhöhung von 33 °C beträgt heute ca. 0,8 °C, also mehr 2 %.

Er ist auf den deutlichen Anstieg folgender Spurengase zurückzuführen:

CO2 Industrialisierung

CH4 Landwirtschaft, Industrie

N2O Landwirtschaft, NOx-Minderung

FCKW Kältemittel, Treibgas

SF6 Isoliergas, Schutzgas (noch kein signifikanter Einfluss, doch starker Anstieg der Konz.)

CO2 aus fossilen Energieträgern

Methan aus mikrobiellen Abbau

CO2-Volumenanteil in der Luft (Bliefert, 2002) Primärenergieverbrauch und CO2-Emission (ibid.)

CO2-Volumenanteil in der Luft während der letzten 750 000 a nie über 290 ppm!

Kohlendioxidausstoß weltweit, 1971

Kraftwerke

Verkehr

Industrie

Handel, Einrichtungen

Haushalte

27 %

20 % 27 %

16 %

10 %

Kohlendioxidausstoß weltweit, 2007

KraftwerkeVerkehrIndustrieHandel, EinrichtungenHaushalte

6 %

41 %

23 %

20 %

10 %

Berechnen Sie die Menge an CO2, welche zur Erzeugung der gleichen Wärmemenge aus Kohle (C) und Erdgas (CH4) freigesetzt wird. C (s) + O2 (g) � CO2 (g) (1) CH4 (g) + 2 O2 (g) � CO2 (g) + 2 H2O (g) (2)

Die Menge an CO2 bei gleicher Wärmemenge sinkt mit zunehmendem relativen Wasserstoffgehalt des Brennstoffs.

C: 100 % C CH4: 75 % C, 25 % H H2: 100 % H

Anthropogene Methanquellen Energieerzeugung

Wiederkäuer

Reisanbau

Müll

Verbrennung

Abfall

Andere

26 %

11 %

5 %

11 %

19 % 24 %

4 %

Beitrag der wichtigsten Klimagase zum Treibhauseffekt (Bliefert, 2002)

Gas Anteil am zus. Treibhauseffekt

(in %)

Erwärmungseffekt insgesamt

(in K)

Relatives Treib-hauspotenzial1)

Relativer Anstieg pro Jahr (in %)

CO2 50 7,2 1 0,4

CH4 13 0,8 21 1,0

N2O 5 1,4 310 0,25

O3 (bodennah) 7 2,4 2 000 0,7

H2O 2) 20,6

FCKW CFCl3 5 12 400

CF2Cl2 12 15 800

weitere

0,6

0,8 K in 100 a Σ ca. 33 K

1)1 O3-Molekül mit gleicher Treibhauswirkung wie 2000 CO2-Moleküle 2)

wechselnde Mengen

Die Staaten mit dem höchsten CO2-Ausstoß 2007

Nr. Land Mio. t Anteil %

1 China 6028 20,8 2 USA 5769 19,9 3 Russland 1587 5,5 4 Indien 1324 4,6 5 Japan 1236 4,3 6 Deutschland 798 2,8 7 Kanada 573 2,0 8 Großbritannien 523 1,8 9 Südkorea 489 1,7 10 Iran 466 1,6 11 Mexiko 438 1,5 12 Italien 438 1,5 13 Australien 396 1,4 14 Indonesien 377 1,3 15 Frankreich 369 1,3 16 Saudi-Arabien 358 1,2 17 Brasilien 347 1,2 18 Südafrika 346 1,2 19 Spanien 345 1,2 20 Ukraine 314 1,1

Alle Länder 28 962 100 2015

Nr. Land t pro Kopf

1 USA 19,1 2 Australien 18,8 3 Kanada 17,4 4 Saudi-Arabien 14,8 6 Russland 11,2 7 Südkorea 10,1 8 Deutschland 9,7 9 Japan 9,7 10 Großbritannien 8,6 12 Spanien 7,7 13 Italien 7,4 14 Südafrika 7,3 15 Ukraine 6,8 16 Iran 6,6 17 Frankreich 5,8 18 China 4,6 19 Mexiko 4,1 20 Brasilien 1,8 21 Indonesien 1,7 22 Indien 1,2 Im Mittel 4,4

2011

CO2-Reduktion durch Tempolimit

Gesamtlänge der Autobahnen in Deutschland ca. 12 000 km

53 % ohne Tempolimit

etwa 1/3 aller PKW-Kilometer entfallen auf Autobahnen Großer Diesel-PkW:

120 km/h � 200 g CO2/km

145 km/h � > 300 g CO2/km

Zusätzliche CO2-Emission durch ständiges Abbremsen und Beschleunigen CO2-Einsparpotenzial bei Tempolimit 120 km/h und Fahrzeuganpassung bis 30 %1) EU-Verordnung (Fahrzeugflotte):

2015: ∅ 130 g CO2 / km 2020: ∅ 95 g CO2 / km 1)

UBA, CO2-Emissionsminderung im Verkehr in Deutschland, 05/2010

Bei Kraftfahrzeugen wird heute der durchschnittliche CO2-Ausstoß in g/km angegeben.

a) Welcher CO2-Ausstoß ergibt sich bei einem durchschnittlichen Benzinverbrauch von 8,8 L auf 100 km? Gehen Sie bei der Berechnung davon aus, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Benzin denen von n-Octan (C8H18) mit der Dichte ρ = 0,70 kg/L entsprechen! Formulieren Sie zunächst die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von n-Octan zu CO2 und H2O!

b) Wie viel L Benzin (n-Octan) dürfte ein Kraftfahrzeug maximal verbrauchen, damit das von der EU angestrebte Ziel für den CO2-Ausstoß von 120 g/km erreicht wird?

114,23 g 352,08 g

a) n-C8H18 + 12,5 O2 � 8 CO2(g) + 9 H2O (l)

8,8 L x 0,7 kg/L 1 m(CO2) = 6,16 kg

114,23 g 352,08 g

b) n-C8H18 + 12,5 O2 � 8 CO2(g) + 9 H2O (l)

m(n-C8H18) 12 kg

• Rückkopplungsmechanismen Treibhauseffekt und Aerosole � kleinste feste oder flüssige Schwebeteilchen

in der Luft (z. B. Nitrate, Sulfate, H2SO4, SO3, ...)

Bildung aus Luftschadstoffen (z. B. SO2, NOx aus Kohleverbrennung) oder direkte Freisetzung � Folge der industriellen Entwicklung in den Schwellenländern (China, Indien) � Schmutzschleier, der einen Teil des Sonnenlichts ins All zurückreflektiert � Maskierung des globalen Treibhauseffektes, Kondensationskerne für Wolken � Wenn wir die Luftverschmutzung zurückfahren würden, aber nicht den CO2- Ausstoß, dann würde es sogar noch sehr viel schneller warm werden auf der Erde.

Treibhauseffekt und Wasserdampfgehalt � Beitrag von Wasserdampf (aus Wasserkreislauf und Vulkanismus) zum natürlichen Treibhauseffekt etwa 60 %

Hauptursache des zusätzlichen Treibhauseffektes � Anstieg der Konzentration der Treibhausgase CO2 und CH4 � Höhere Lufttemperatur führt zwangsläufig zur Erhöhung des mittleren Wasserdampfgehalts der Atmosphäre (Erhöhung der Verdunstungsrate, höheres Speichervermögen)

a) "Positive Rückkopplung" des Klimasystems � Verstärkung des Treibhaus- effekts durch erhöhte Absorption von IR-Strahlung

b) Abnahme der mittleren Temperatur der Erdoberfläche � vermehrte Wolkenbildung und Reflektion von einfallendem Sonnenlicht

c) Kompensation/Überlagerung beider Effekte (Gegenstand intensiver For- schung)

Treibhauseffekt und Methanhydrat

Chemie

CH4 ⋅ 5,75 H2O (hoch verdichtete Form) Elementarzelle: 46 H2O + 8 CH4

unter Normalbedingungen gilt: 1 L Gashydrat = 164 L CH4 + 0,8 L H2O Bildung

ab etwa 20 bar, 2 - 4 °C

300 m Tiefe Arktis, 600 m Tropen (Kontinentalränder)

Permafrostboden Sibiriens Folgen der Freisetzung

Diffusion � Ausbruch

Zeitskala (Lösung, Oxidation, Versauerung)

Rückkopplungseffekt

• Auswirkungen des zusätzlichen Treibhauseffektes

Wald- bzw. Brandrodung

Erschließung neuer land- wirtschaftlicher Flächen

Aufbringen mineralischer Dünger

Verbrennung fossiler Ener- gieträger

Produktion halogenierter Kohlenwasserstoffe

Bis zum Jahr 2100 wird eine globale Erwärmung zwischen 1,1 und 6,4 °C prognostiziert (IPCC - Intergovernmen- tal Panel on Climate Change) Anstieg um 2 - 3 °C bewirkt:

� Anstieg des Meeresspiegels um 30 - 50 cm, Abschmelzen des Eises

� Veränderte Häufigkeit, Intensität und Verteilung des Niederschlags

� Hochwasser und Überschwemmungen insbesondere in Asien

� Allgemeine Zunahme von extremen Wetterereignissen (Hitzewellen, Dür- ren, Starkregen, Stürme)

Fünf elementare Fragen

Wie hoch wird der

Temperaturanstieg?

Wo wird es mehr Dürren und wo mehr

Überschwemmungen geben?

Muss in Zukunft mit verheerenden

Stürmen gerechnet werden?

Bleibt die Lage auf dem

Planeten beherrschbar?

Wie stark wird der

Meeresspiegel ansteigen?