Untere Atmosphäre

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Nächtliche Bedingungen und Chemie

Die Chemie, die in der Atmosphäre stattfindet, hängt nicht nur davon ab, welche Verbindungen in sie entlassen werden, sondern auch davon, welche Bedingungen in ihr herrschen. Letztere sind durch die Jahreszeiten bestimmt, durch den Wechsel von Tag und Nacht, durch Temperaturprofile, durch die Feuchte und anderes mehr.

Tageszyklus

Im vorhergehenden Text erfuhren wir einiges über den Tageszyklus von OH, der vom Sonnenlicht abhängt. Nicht nur die chemischen Substanzen in der Atmosphäre zeigen einen solchen Zyklus, auch die Bedingungen, mit denen sie oft verbunden sind, so z.B. das Temperaturprofil. Die Bedingungen in der erdnahen Grenzschicht (Planetary Boundary Layer, PBL) ändern sich über den Tag hinweg und folgen nicht immer der Regel einer mit der Höhe abnehmenden Temperatur. Denn diese Schicht zeigt starke Wechselwirkung mit der Erdoberfläche. Ein Beispiel ist die nächtliche Inversion, die in den Morgenstunden aufgehoben wird.

Nächtliche Inversion in der planetaren Grenzschicht

Alles, was sich an Luft unterhalb der freien Atmosphäre (D) befindet, gehört zur planetaren (erdnahen) Grenzschicht. In dieser ändern sich im Verlauf eines Tages die Bedingungen (von links nach rechts): Zum Mittag ist die Luft durchmischt (hellblau). Nach Sonnenuntergang bildet sich die stabile nächtliche Schicht aus (A) und die übrige Luft lagert über ihr (B). Die Luft der Oberflächenschicht unterhalb der gepunkteten Linie kann während der Nacht nicht in höhere Lagen aufsteigen. Hierzu fehlt die antreibende Energie. Diese wird erst wieder mit dem Sonnenaufgang verfügbar. Der Erdboden erwärmt sich, die warme (= leichtere) Luft beginnt zu steigen (roter Pfeil), die stabile Schichtung der Nacht bricht auf. Eine Luft mit sich führende Schicht (engl.: entrainment zone) steigt vom Erdboden bis in die höchsten Lagen der planetaren Grenzschicht auf (dunkelblau) und führt zu einer Durchmischung der Luft während des Tages (C).

Im Winter kann es vorkommen, dass die Sonne über einen oder auch mehrere Tage nicht stark genug ist, die Inversionsschicht aufzulösen. In solchen Fällen sammeln sich die Abgase und Verschmutzungen über den Städten und führen zu Smog. Besondere Bedingungen findet man auch oft in Gebirgstälern, wie auf dem Photo rechts gezeigt. Die Inversion bleibt unterhalb einer Wolkendecke bestehen.

Nitratchemie

Auf Grund der unterschiedlichen Bedingungen während der Nacht ist auch die Chemie anders. Es gibt weniger Quellen für OH. Nitratradikale gehen stattdessen während der Nacht ähnliche Reaktionen ein, wie es OH während des Tages tut. Nitratradikale NO₃ entstehen aus der Reaktion von Ozon mit Stickstoffdioxid (Basis Einheit 3). Mit NO reagieren sie wieder zurück. Daher können NO und NO₃ in höheren Konzentrationen nicht gemeinsam vorhanden sein. Die Reaktion von NO₂ und NO₃ ist der einzige Weg in der Atmosphäre zur Bildung von Distickstoffpentoxid N₂O₅. Dieses kann sich in Wasser zu Salpetersäure zersetzen oder zu den Ausgangsverbindungen (Edukten) zurückreagieren.

Wie auch OH, so spalten Nitratradikale von Alkanen ein H-Atom ab. Salpetersäure HNO₃ und ein Alkylradikal R werden gebildet. Letzteres reagiert mit Sauerstoff und bildet Peroxyl-Radikale RO₂.

NO₃ addiert sich auch an die Doppelbindungen von ungesättigten organischen Verbindungen und bildet Peroxynitrate nach weiterer Reaktion mit O₂.
Die Lebensdauer von NO₃ / N₂O₅ sinkt stark mit steigendem Anteil von Wasserdampf in der Luft. HNO₃ wird gebildet, insbesondere an flüssigen Filmen auf Oberflächen, mit denen das Gas in Kontakt kommt.
Alle Peroxyverbindungen, die aus den Reaktionen mit OH, NO₃ und Ozon entstehen, gehen in der Atmosphäre recht komplizierte und vielfältige weitere Reaktionen mit O₂, HO₂, RO₂, NO oder NO₂ ein. Sie führen zu Alkoholen, Aldehyden, Nitraten und Carbonsäuren. Es würde weit über die Möglichkeiten dieser Klimaseite hinausgehen, all diese tausende von Reaktionen im Detail zu erläutern, die auch nur teilweise erforscht sind.

NO₃ absorbiert Licht im roten Bereich des sichtbaren Spektrums. Sobald es am Ende der Nacht hell wird, wird es vom ersten Licht gespalten, vor allem in NO₂ und O. Die OH-Chemie des Tages dominiert wieder. Ozon, das dritte wichtige Oxidationsmittel in der Atmosphäre, kann nicht mit Alkanen reagieren. Aber es ist eine Konkurrenz für OH in der Reaktion mit Alkenen, wenn es relativ dunkel ist, z.B. am Abend oder im Winter. Ein spezielles Kapitel erklärt die Ozonreaktionen näher.

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About this page: author: Dr. Elmar Uherek - MPI for chemistry, Mainz scientific reviewer: Dr. Mark Lawrence - MPI for chemistry, Mainz 2004-05-05 educational proofreading: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02 Letzte Überarbeitung: 2007-08-21