Untere Atmosphäre

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Verteilung & Konzentration (1)

Wir haben eine Menge über Gase in der Atmosphäre gelernt, insbesondere in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre. Hier finden wir zahllose chemische Verbindungen in der Luft. Aber ihre Konzentration und Verteilung schwankt stark.

Wie beschreiben wir die Rolle eines Gases in der Atmosphäre?

Menge

Ein Gas in der Atmosphäre kann sein ..

a) ein Hauptbestandteil der Luft (Sauerstoff, Stickstoff, Argon)
b) ein in größerer Menge auftretendes Spurengas (Kohlendioxid, Methan, Ozon, Stickstoffdioxid, ...)
c) ein in kleinerer Menge auftretendes Spurengas (viele organische Gase wie Butan, Ethanol, aber auch FCKW, ..)

Spurengase sind Gase, die nur einen sehr kleinen Anteil an der Luft ausmachen. Dies kann ein Molekül unter einer Milliarde oder sogar einer Billion an Luftmolekülen sein.

*Das Missverständnis bei Mischungsverhältnissen in den 'Einheiten' ppm and ppb

In sehr vielen wissenschaftlichen und nicht wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird die Menge eines Gases in der Luft in ppm (millionstel Teilen) oder ppb (milliardstel Teilen) angegeben. Wir benutzen diese Angaben auch hier, weil sie allgemein gebräuchlich sind. Allerdings werden sie oft falsch verstanden.

Drei typische Fehler:

1) Oft findet man geschrieben: Die Konzentration an CO₂ in der Luft ist 385 ppm. Dies ist falsch. Denn 385 ppm ist ein Mischungsverhältnis und keine Konzentration. Konzentrationen sind zum Beispiel eine Masse pro Volumen, wie die Ozon-Konzentration 100 µg / m³. Sie haben eine richtige Einheit.

2) Mischungsverhältnisse haben keine richtige Einheit, da man die Einheiten wegkürzen kann, so dass nur eine Zahl stehen bleibt. Wir beschreiben nur, dass wir 385 Moleküle unter 1.000.000 Molekülen haben, wenn wir von 385 ppm sprechen. Die korrektere Ausdrucksweise ist: 385 µmol/mol.

3) Die Begriffe Billion und Trillion werden in verschiedenen Ländern verschieden definiert:
1 amerikanische Billion = 1 britische Milliarde (dort selten genutzt) = 1 deutsche Milliarde (hier immer genutzt) = 1.000.000.000
1 amerikanische Trillion = 1 deutsche Billion = 1.000.000.000.000
1 part per trillion ist also ein billionstel Anteil
In vielen Sprachen (französisch: milliard, deutsch: Milliarde) ist also die Bezeichnung der (in Großbritiannien selbst fast nie verwandten) britischen Milliarde (1 British milliard) verwandt und nicht der amerikanischen Billion = 10⁹. In wissenschaftlichen Veröffentlichungen findet man aber fast ausschließlich letztere. Also nicht verwechseln!

oft benutzt:	korrekter ausgedrückt:	bedeutet:
ppm (parts per million)	µmol / mol = 10-6 (mikromol / mol)	1 unter 1.000.000
ppb (parts per billion)           amerikanisch	nmol / mol = 10-9 (nanomol / mol)	1 unter 1.000.000.000
ppt (parts per trillion)           amerikanisch	pmol / mol = 10-12 (pikomol / mol)	1 unter 1.000.000.000.000

Verteilung

Abhängig von örtlichen und zeitlichen Bedingungen kann ein Gas in der Atmosphäre unterschiedlich verteilt sein:

Homogen verteilt bedeutet, dass wir vergleichbare Mischungsverhältnisse des Gases überall rund um den Globus und in verschiedenen Höhen finden. Dies ist der Fall, wenn die Gase stabil sind und eine lange Lebensdauer haben. Sie werden nur langsam aus der Atmosphäre entfernt und reagieren nicht oder nur ganz allmählich.

Beispiel: Distickstoffmonoxid N2O

2. Verteilung von Distickstoffmonoxid in der Atmosphäre. Die Messung erfolgte über dem Pazifischen Ozean in verschiedenen Höhen und über viele Längengrade hinweg. Die Darstellung zeigt auch die Fehlerbalken. Die Einheit ppbv steht für den Volumenanteil des Gases am Gesamtvolumen der Luft.
Quelle: J.E. Collins et al., Journal of Geophysical Research, 101, D1 (1996) S. 1975-84

Distickstoffmonoxid N₂O ist ein gleichmäßig verteiltes Gas. Sein Anteil in der Luft ist jedoch über die letzten 200 Jahre stetig gestiegen, vor allem auf Grund vom Menschen verursachter Beiträge.

3. Diagramm: Elmar Uherek

Zeitliche Entwicklung

Das Auftreten von Gasen kann stark an die Sonnenstrahlung gebunden sein, wenn sie in chemische Prozesse involviert sind, bei denen Photolyse (Spaltung durch Licht) eine Rolle spielt. In diesem Fall haben sie einen 'Tagesgang', manchmal auch einen Jahresgang.

Tagesgang: Beispiel Hydroxyl-Radikal OH

OH zum Beispiel hängt vom Sonnenlicht ab. Seine Menge steigt über den Tag hinweg an und fällt während der Nacht wieder ab, wie in der Einheit 'Oxidation' beschrieben.

Jahreszeitliche Veränderungen: Beispiel Formaldehyd

Formaldehyd HCHO ist ein Gas, das z.B. bei Vegetationsfeuern gebildet wird. Die Beobachtungen vom satellitengestützten GOME-Instrument zeigen, dass die Konzentration während der Waldbrandsaison hoch ist (März in Südost-Asien, September in Brasilien).

Die Konzentrationen einiger Gase steigen oder fallen langfristig über Jahrzehnte, über Hunderte, Tausende oder sogar Millionen von Jahren. Die menschliche Aktivität ließ die Mengen vieler Gase insbesondere über die letzten 200 Jahre seit dem Beginn der Industrialisierung ansteigen, wie für N₂O schon gezeigt wurde.

Wachstumszeiten und menschlicher Einfluss: Beispiel Kohlendioxid (CO2)

Kohlendioxid ist ein ausgezeichnetes Beispiel, um die weltweite Verteilung eines Gases zu studieren. Es ist relativ stabil und verteilt sich gleichmäßig über die ganze Erde. Wir wissen aber auch: Durch die menschliche Aktivität steigt die Menge an Kohlendioxid in der Luft über die Jahre immer weiter an, wie die Abbildung links zeigt. Der Großteil des CO₂ wird auf der Nordhalbkugel gebildet, da hier die größere Landmasse ist und hier weit mehr Menschen leben, die Energie verbrauchen (Europa, die USA, China, Indien ...).
 

Kohlendioxid steigt daher zunächst auf der Nordhalbkugel an und dringt danach allmählich auch in den Süden vor. Der Transport über den Äquator ist langsam, da die Durchmischung innerhalb einer Erdhalbkugel weit schneller erfolgt als die Durchmischung zwischen den Hemisphären.
Wir machen aber noch eine zweite Beobachtung: Das Jahresmuster von CO₂ variiert. Im Winter stellen Bäume und andere Pflanzen das Wachstum ein. Die Aufnahme von CO₂ sinkt. Gleichzeitig beginnen wir unsere Häuser zu beheizen und emittieren mehr CO₂. Folglich haben wir die höchsten CO₂-Werte am Ende der Heizperiode im Mai. Etwa 5 ppm weniger sind es am Ende der Wachstumsperiode, während der die Pflanzen CO₂ verbrauchen. Die beiden Diagramme zeigen klar dieses Muster.

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Author: Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
Scientific reviewer: Dr. Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-18
Letzte Überarbeitung: 2007-08-22