Atmosphäre/Wolken/Ozon - St. Benno-Gymnasium Dresden · 2018. 11. 9. · Ozon ist im Stande das...

1.

Atmosphäre/Wolken/Ozon

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Gliederung

1. Einführung2. Aufbau der Atmosphäre (Lufthülle der Erde),

2.1 Begriffe: Wetter, Witterung und Klima 3. Messbare Eigenschaften der Troposphäre (Gase und Wasser)

4. Wolkenbildung 4.1 Wolkenfamilien 4.2 Haufen- und Schichtwolken4.3 Schichtungstypen

5. Stau/Föhn - Windsystem6. Exkurs: Ozon

alle Grafiken/Fotos aus:• Autorenkollektiv: Schroedel-Seydlitz 11; • Bernhard Mühr: Karlsruher Wolkenatlas-http://www.wolkenatlas.de/; • Wikipedia.de

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1. Einführung

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Warum ist die Kenntnis atmosphärischer Vorgänge wichtig?

• die Atmosphäre ist direkter Lebensraum des Lebens außerhalb des Ozeans

• sie bietet Schutz vor UV-Strahlung (Ozonschicht)• αtmosphärische Bestandteile sind auch direkte Bestandteile des

Stoffwechsels des irdischen Lebens (Sauerstoff, Kohlendioxid, etc.)

• die Atmosphäre bestimmt Stoff- und Energiekreisläufe (Wärmeausgleich zwischen Äquator und Polen, Wasserkreislauf, Spurenstoffkreisläufe)

• die Atmosphäre ist Grundlage von Kommunikation (z.B. Schall, Kurzwelle)

• die Atmosphäre verbindet verschiedene Teilsysteme des Systems Erde (z.B. Klimasystem)

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Klimasystem: Modell zur Abb. der Komplexität

Interne

Wechsel-

wirkungen

Klimadaten

Klimazustand Klimaänderungen

Atmosphäre

Geospäre

(feste Erde)Hydrosphäre

Biosphäre Kryosphäre

Klimasystem

externe Einflüsse

M15

Gliederung

1. Einführung 2. Aufbau der Atmosphäre (Lufthülle der Erde),

2.1 Begriffe: Wetter, Witterung und Klima3. Messbare Eigenschaften der Troposphäre (Gase und Wasser)




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2. Aufbau der Atmosphäre (Lufthülle der Erde)

Def:

Die Atmosphäre (von griechisch ατμός, atmós „Luft, Druck, Dampf“ und σφαίρα, sfära „Kugel“) ist die gasförmige Hülle um einen Himmelskörper. Sie besteht meistens aus einem Gemisch verschiedener Gase, die vom Schwerefeld des Himmelskörpers festgehalten werden können. Die Atmosphäre ist an der Oberfläche am dichtesten und geht in großen Höhen fließend in den luftleeren Raum (kein Druck, keine Gravitation) über.

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Stockwerksaufbau:

vertikale Gliederung nach

• Temperatur oder

• aerodynamischen oder

• radio-physikalischen

Erscheinungen mgl.

LB M2

Sphären Kontinuität

Pausen Diskontinuität

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Troposphäre

dünnste, aber auch aktivste Schicht (Wettergeschehen)

Name: griech. „tropein“ = „sich ändern“

Zone ständiger Umwälzungen der Luft

Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe anfangs sehr schnell ab. Schon ab 5500 m Höhe hat sich der Luftdruck um die Hälfte verringert

Temperatur sinkt mit zunehmender Höhe: von 15°C am Boden bis auf –56,5°C an der Obergrenze.

Wetterschicht der Atmosphäre

Hier findet infolge der vertikalen und horizontalen Strömungen die stärkste Durchmischung der Luftmassen sowie Wolken-und Niederschlagsbildung statt.

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Tropopause

Grenzschicht, die das Wettergeschehen innerhalb der Troposphäre von der nächsthöheren Sphäre trennt.

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Stratosphäre

Druck nimmt bis auf 1hPa ab

kein Wasserdampf vorhanden; es herrscht Strahlungsgleichgewicht (keine Wolken und auch kein Dunst enthalten)

nur horizontal verlaufende Luftbewegungen ohne große Turbulenzen

da kein Wasserdampf kein Wettergeschehen

Strahlung dominiert beim Energietransport. Ozon ist im Stande das ultraviolette Licht der Sonnenstrahlung sehr wirkungsvoll zu absorbieren. Die dabei verbleibende Energie der Sonnenstrahlung heizt die Luft in dieser Schicht auf (Herdplatteneffekt des Ozon)

Stratopause 11

Mesosphäre

Name: griech. „mesos“ = „Mittel“

kein Temperaturanstieg mehr, sondern

vor allem durch CO2 wird Energie abgestrahlt, so dass in dieser Schicht eine starke Abkühlung erfolgt

Mesopause

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Thermosphäre

Ionisierung der meisten Moleküle Temperaturanstieg (T als kinetische Energie von Teilchen – Sonnenwind beschleunigt Ionen)

Name: in dieser Schicht kann sehr dünne Luft in Höhen über 80 km schnell aufgeheizt werden

die Temperatur unterliegt bei diesem Vorgang sehr starken Schwankungen.

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Exosphäre

Hier können die vorwiegend atomaren beziehungsweise ionisierten Bestandteile aus dem Schwerefeld des Planeten entweichen.

Sie wird bei Vorhandensein eines Magnetfeldes

durch die Magnetopause begrenzt.

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2.1 Begriffe: Wetter, Witterung und Klima (Elemente und Faktoren)

Def Wetter:

Wetter ist der augenblickliche Zustand der Atmosphäre, über einem bestimmten Ort, zu einer bestimmten Zeit;

gekennzeichnet durch meteorologische Elemente

z.B: Temperatur, Luftdruck, -feuchte, Wind, -richtung,

-stärke, Bewölkung, Sonnenscheindauer,

Lichtverhältnisse, Sonnenstrahlung

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Def Kima:

Alexander v. Humboldt (* 1769 Berlin; † 1859 in Berlin) (1817):

„Der Ausdruck Klima bezeichnet in seinem allgemeinen Sinne alle Veränderungen der Atmosphäre, die unsere Organe merklich affizieren (reizen): die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Veränderung des barometrischen Drucks, den ruhigen Luftzustand oder die Wirkung ungleichmäßiger Winde, die Größe der elektrischen Spannung, die Reinheit der Atmosphäre oder ihre Vermengung mit mehr oder minder schädlichen gasförmigen Exhalationen, endlich den Grad habitueller (gewöhnlicher) Durchsichtigkeit und Heiterkeit des Himmels, welcher nicht bloß wichtig ist für die vermehrte Wärmestrahlung des Bodens, die organische Entwicklung der Gewächse und die Reifung der Früchte, sondern auch für die Gefühle und die ganze Seelenstimmung des Menschen.“ 16

Def Kima:

WMO Hauptsitz in Genf (1979):

„Klima ist die Synthese des Wetters über ein Zeitintervall, das im wesentlichen lang genug ist um die Festlegung der statistischen Ensemble-Charakteristika (Mittelwerte, Varianzen, Wahrscheinlichkeiten extremer Ereignisse usw.) zu ermöglichen und das weitgehend unabhängig bezüglich irgendwelcher augenblicklicher Zustände ist.“

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Def Kima:

St. Benno-Gymnasium

Klima ist der zu erwartende, durchschnittliche, jährlich mehr oder weniger wiederkehrender Witterungsablauf in einem bestimmten Gebiet.Witterung:= Wetter über 2-3 Tage

gekennzeichnet durch Mittel-, Häufigkeits-, Extremwerte langjähriger Messungen und Beobachtungen (30 Jahre) der Klimaelemente (meteorologische Elemente über längeren Zeitraum gemessen)

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Zusammenhang von Klimafaktoren und meteorologische Elemente (Klimaelementen) ist gegeben durch z.B.

Höhenlage Luftdruck

Exposition Temperatur

geo. Breite Sonnenstrahlung

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Gliederung






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3. Messbare Eigenschaften der Troposphäre (Gase und Wasser)3.1 Gase

5

4≈5

1≈

Druck (hPa)

H2 He N2 O2 CO2 CH4 H2O Sonstige

1.013 0,5 ppmv 5,24 ppmv 78,084 % 20,946 % 0,03 % 2 ppmv ~0-4 % 0,93 % Argon

M321

3.2 Wasser - Begriffe

absolute Luftfeuchte := wie viel g Wasser ist in 1m³ Luft tatsächlich enthalten

maximale Luftfeuchte := wie viel g Wasser könnten in 1m³

Luft enthalten sein (max. möglich)

relative Luftfeuchte := euchteimaleLuftf

ftfeuchteabsoluteLu

max22

Taupunktkurve

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LB 60 M3

1. Wie viel % rel. Luftfeuchte hat Luft mit 5g/m³ H2O bei einer Temp. von 15°C bzw. 25°C?

2. Unter welchen Umständen kann die rel. Luftfeuchte 100% betragen?

3. Warum ist ein Regen in der trop. Zone intensiver als in der gem./pol. Zone?

4. Suche nach geo./ topo Begriff, dass Luft mit H2O -Gehalt von 4,8 g/cm³ unterschiedlich wahrgenommen werden kann.

Begriffe: gefühlte Wärme/Feuchte, latente Wärme

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ZF LB 60

Gliederung






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4. Wolkenbildung

wichtigste Ursache:

vertikal aufsteigende Luftpakete (incl. Wasserdampf) und damit einhergehende Abkühlung

+

Sublimationskerne (Kondensationskerne; Dreckpartikel)

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4.1 Wolkenfamilien

Luke Howard (*28. November 1772 in London; † 1864)

In seiner Schrift On The Modification of Clouds aus dem Jahr 1802, teilte er Wolken in Stratus (Schichtwolken), Cumulus (Haufenwolken) und Cirrus (Schleierwolken) sowie auch Nimbus (Regenwolken) ein.

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Wolken mit vertikalem Aufbau: hohe/mittlere/untere

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Cumulus humilis

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Altocumulus

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Cirrocumulus

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Stratocumulus

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Altostratus

33

Cumulus congestus

34

Cumulonimbus

35

Cumulonimbus

36

Nimbostratus

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4.2 Haufen- und Schichtwolken

vertikal – Konvektionswolken (Haufen: cumulus)

horizontal/vertikal - Advektionswolken (Schicht: strato)

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Abkühlung infolge vertikaler Verlagerung durch Einstrahlung - rascher, steiler Aufstieg durch Stau an Gebirgsrändern - schnelles Anheben von warmer Luft (Kaltfront: Außertropische Zirkulation) Luftabkühlung - Taupunkt/ Kondensationsniveau Wolken

Dyn. H Absinken = Auflösen

Wolkengroßflächige Abkühlung durch Aufgleiten von Warm- auf Kaltluft (Warmfront: Außertropische Zirkulation) oder Aufgleiten von Luft an Hindernissen (flach ansteigendes Gebirge) Orograpische Hebung

4.3 Schichtungstypen

M639

Inversion: Los Angeles Smog

M640

Temperaturinversion := Temperaturumkehr

1. Bodeninversion/Strahlungsinversion

2. warme Luftströmung über kalter Meeresströmung , Luftbewegung - Küstennebel

3. Absinkinversion (Passatinversion) in Hochdruckgebieten, dynamisches Absinken im Kern

4. Aufgleiten von Warm- auf Kaltluft (Warmfront)

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Gliederung






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5. Stau/Föhn - Windsystem (Föhnmauer über dem Alpenhauptkamm)

Def.: Föhn ist ein warmer, trockener und meist böiger Fallwind, der –hangabwärts gerichtet – an der dem Wind abgekehrten Seite (Leeseite) von Gebirgen auftritt.

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Hoch-Tiefdruck, Barisches Windgesetz, Corioliskraft44

Thermodynamische Theorie

Adiabate = Zustandsänderung ohne Wärmeaufnahme oder -abgabe von/nach außen (geschlossenes System)

trockenadiabatischer Temperaturgradient = 1oC Abkühlung/100m Höhefeuchtadiabatischer Temperaturgradient = 0,5oC Abkühlung/100m Höhe

Probleme der thermodynamischen Föhntheorie:1. Es gibt auch Föhn ohne Bewölkung im Luv oder am Alpenhauptkamm. 2. Die im Luv gestaute Luft ist nicht immer an der Überströmung beteiligt, sie kann

stagnieren oder sich sogar in entgegengesetzter Richtung bewegen.

M7

45

Leeseite des Föhns: Warum kann die

absteigende Luft die darunter befindliche

Kaltluft überhaupt verdrängen?

Gliederung






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6. Exkurs: Ozon

Christian Friedrich Schönbein

(*1799; † 1868); deutsch-schweizerischer Chemiker. Er war Entdecker des Ozons (1839).

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stratosphärisches O3:

natürlicher Vorgang

troposphärisches O3: natürlicher Vorgang

in 20-50 km Höhe, O3 gebildet durch Absorbtion von UV-C (Strahlung < 420 nm) durch O2 – Molekülen

O2 + UV-C Licht = O + O diese einzelnen Sauerstoffatome sind extrem reaktionsfreudig (Radikale)

O + O2 = O3 O3 wird zerstört durch UV-B Absorbtion (Schutzfunktion) - Wärme frei (vgl Temperaturkurve in Stratosphäre) Bildung = Zerstörung

nur als Spurengas enthalten

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Mensch

troposphärisches O3: Mensch

Bildung durch das Ausbringen von Treibgasen: 1. z.B. von Stickstoffoxiden (natürl. Entstehung: Soffwechselprodukt von Bodenbakterien/ antropo. Entstehung: Kunstdünger, Verbrennung von Biomasse) 2. FCKW (aus Industrie- und Autoabgasen, Kühlmittel...) Treibgas steigt bis in die Ozonschicht und dort spalten sich unter Mitwirkung von starker UV-Strahlung Chloratome ab

Cl + O3 = ClO + O2

, Das entstehende Chloroxid zerfällt danach wieder in ein Chloratom und Sauerstoff. Da das Chlor nach dieser Reaktion wieder unverändert vorliegt, kann es erneut ein Ozonmolekül angreifen. Auf diese Weise kann ein einziges Chloratom bis zu 100 000 Ozonmoleküle der Stratosphäre zerstören!

Bildung durch Reaktion von NOx , CO, CHx aus Autoabgasen, Industrieanlagen, Kunstdünger, Verbrennung von Biomasse... mit O2 über Photolyse (Strahlung < 420 nm: stratosphärisches Ozonloch)

O2 + NO2 + Energie = NO + O3

Sommersmog Aus diesem Grund steigen die Ozonwerte im Hochsommer besonders in der Umgebung von Ballungsgebieten mit viel Straßenverkehr. Seit 1995 wird das Ozon als krebserregende Substanz klassifiziert.

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Folgen der Zerstörung

troposphärisches O3: Folgen der Bildung

genet. Störungen (Plankton-Beginn der Nahrungskette), Hautkrebs, Schwächung Immunsystems

Reizung Atemwege, Asthma, bodennahes O3 ist Gift!, Waldkrankheiten, zerstört Phytoplankton im Weltmeer (= CO2 Senke)

Hinweis: sehr komplexes und kompliziertes Thema, etwa 30 chem. Substanzen mit 200 verschiedenen Reaktionen sind am Prozess der O3 Bildung und des O3 Abbaus beteiligt

Seminar: Ist O3 ein Treibhausgas?

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Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit!

demnächst:

Thema: Der Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde

B

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