Slide 1 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Chemie – (Aerosol) – Klima – Wechselwirkungen
Gute Luft – Schlechtes Klima
Holger TostInstitut für Physik der Atmosphäre, JGU Mainz
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Langlebige Treibhausgase werden hauptsächlich durch Emissionen
und stratosphärische Chemie kontrolliert
IPCC AR5, WG I, Chap8 , 2013
Kurzlebige Treibhausgase werden durch Emissionen und
Troposphärische Chemie kontrolliert
IPC
C c
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rcin
g –
die
Rol
le d
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hem
ie
Aerosolpartikel werden durch Emissionen, Phasenübergänge zwischen
Gas und Aerosolphase und
physikalische und chemische Prozessierungkontrolliert
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ESCiMoEarth System Chemistry integrated Modelling
● “Deutsche” Konsortialinitiative zur Modellierung atmosphärischer Chemie
● Beiträge zu CCMI (Chemistry Climate Model Intercomparison) und damit dem nächsten IPCC Bericht
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ESCiMoEarth System Chemistry integrated Modelling
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ESCiMoEarth System Chemistry integrated Modelling
Jöckel et al., 2006
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Methan (CH4) und
seine chemischen Wechselwirkungen
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Methan (CH4) und
seine chemischen Wechselwirkungen
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Methan (CH4) und
seine Strahlungseinflüsse
CH4 ist ein effektives Treibhausgas mit einer Effizienz des 60fachen von CO
2.
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CH4 Quellen bzw.
Oberflächenkonzentrationen
Jöckel et al., 2016
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CH4 in der oberen Tropopsphäre
Jöckel et al., 2016
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CH4 in der oberen Tropopsphäre
Jöckel et al., 2016
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CH4 Lebenszeit als Maß für
Oxidationskapazität der Atmosphäre
Je höher die Methan-Lebensdauer, desto weniger OH ist in der Atmosphäre:1) CH4 bleibt länger in der Atmosphäre stärkerer →Treibhauseffekt2) Luftschadstoffe bleiben länger in der Atmosphäre
schlechtere Luftqualität.→Jöckel et al., 2016
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OH – das “Waschmittel” der Atmosphäre106 cm-3
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Erhöhtes OH durch NOx
Schiffsroute
Industrie
Biomasseverbrennung
ppt
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NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog
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NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog
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NOx ist wichtiger Bestandteil des Photosmog
Erhöhtes NOx
→ Ozonbildung (Treibhausgas)
→ erhöhtes OH
→ reduzierte CH4 Lebensdauer
→ weniger CH4 (Treibhausgas)
Aber:
O3 und NO
x sind Luftschadstoffe
Photosmog → Partikelbildung (SOA)
→ Feinstaubbelastung
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Effekte von Aerosolpartikeln
Asche Pollen Salze Ruß
https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Aerosols/images/aerosol_micrographs.jpg
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Aerosol Phasen Partitionierung
Wenn Aerosolpartikel existieren, werden einige semivolatile bzw. lösliche Komponenten ganz oder teilweise in die Partikel aufgenommen.
→ Veränderung der Zusammensetzung der Luft (Gasphase)
Hygroskopische Materialien ziehen zusätzlich Wasser an.
→ Partikel wachsen.
Austausch hängt von Partikelvolumen, Oberfläche pH-Wert, etc. ab.
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Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH
4 Lebenszeit
Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel
Jöckel et al., 2016
Slide 29 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen
from http://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/aerosols
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Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen
Tost, 2017
Slide 31 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen
from http://www.metoffice.gov.uk/climate-guide/science/science-behind-climate-change/aerosols
Slide 32 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen
Tost, 2017
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Aerosol-Strahlungs – und Aerosol- Wolken – Wechselwirkungen
Slide 34 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH
4 Lebenszeit
Aerosolpartikel ändern die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Partitionierung von Substanzen in die Partikel
Aerosol-Wolken und Aerosol-Strahlungswechsel-wirkungen verändern ebenso die Zusammensetzung der Luft
Jöckel et al., 2016
Slide 35 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Einfluss von Aerosolpartikeln auf die CH
4 Lebenszeit
Dru
ckhö
he (
hPa)
Tost et al., 2015
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NO3
- Aerosole an der Erdoberfläche
µg/m3
Pringle et al., 2010
Slide 37 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
SO4
2- Aerosole an der Erdoberfläche
µg/m3
Pringle et al., 2010
Slide 38 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Viele Aerosolpartikel→ starke Kühlungµg/m3
Pringle et al., 2010
Slide 39 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Viele Aerosolpartikel→starke Luftverschmutzungµg/m3
Pringle et al., 2010
from: https://www.nytimes.com/2016/03/31/world/asia/china-air-pollution-beijing-shanghai-guangzhou.html
Dec 2016
Slide 40 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Hohe Luftverschmutzung → Gesundheitsbelastung
Lelieveld et al., 2015
Slide 41 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Aerosol -Komponenten - Wechselwirkungen
Erhöhte SO2 Emissionen, z.B. aus Vulkanen
beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe.
Tost et al., 2015
Slide 42 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Aerosol - Komponenten - Wechselwirkungen
Erhöhte SO2 Emissionen, z.B. aus Vulkanen
beeinflussen auch andere Aerosolspurenstoffe und diese haben auch große Klimawirksamkeit.
Tost et al., 2015
Brühl et al., 2015
auf 185 hPa
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Natürliche Aerosol – Chemie – Klimawechselwirkung Aerosol – Nitrat – Bildung aus Blitzen
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Gemeinsames Auftreten von hohen NOx Werten ohne Luftverschmutzung (SCIAMACHI) und Blitzen (WWLLN)
Beirle et al., ACP, 2010
NOx Produktion durch Blitze
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Simulierte Blitze und ihre Emissionen
Simulierter Jahresmittelwert der Blitzfrequenz [#/(m2s)]
Gute Übereinstimmung der simulierten Blitzverteilung
mit LIS/OTD Daten (Tost et al., ACP, 2007)
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Simulierte LNOx Emissionen und AerosolnitratIsosurfaces von 1 bzw. 3*10-16kg/(m3s) (Emissionen) bzw. 0.1 ppbv (Nitrat)
Gesamtemission: 6 Tg N/yr
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Einfluss von LNOx Emissionen auf Aerosolnitrat
Simulierte relative Änderung in Aerosolnitrat und Nitrat-Säulendichte in der UTIsosurfaces von 30 %, 45 %, and 60 % Erhöhung durch LNOx Emissionen
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Strahlungsfluss – Störung aufgrund von LNOx Emissionen
Regionale positive und negative absolute Unterschiede in der ausgehenden kurzwelligen Strahlung am Oberrand der Atmosphäre aufgrund der LNO
x Emissionen
Slide 50 Prof. Dr. Holger Tost DMG Fachsitzung 21.6.2017
Unsicherheitsbetrachtung in der Strahlungsfluss – Störung aufgrund von LNO
x Emissionen
● Heutige (links) und vorindustrielle (rechts) Bedingungen:
● Wie oben, aber mit alternativem Wolkenaktivierungsschema:
● Räumliche Variabilität
● Zeitliche Variabilität
-64 mW/m2 -60 mW/m2
-105 mW/m2 -146 mW/m2
Abgeschätzte Gesamtunsicherheit: 50 mW/m2
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Take Home Messages
● Neben CO2 ist Methan ein bedeutsames Treibhausgas.
● Viele Arten von Aerosolpartikeln tragen zu einer Abkühlung der bodennahen Atmosphäre bei.
● Luftverschmutzung hat oft positive Auswirkungen auf die globale bodennahe Erwärmung.
● Luftverschmutzung durch Gase und Aerosole hat aber starkes Gesundheitsgefährdungspotential.
● Es existiert eine Vielzahl von Chemie-(Aerosol)-Klima-Wechselwirkungen.
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