Umweltwissenschaften (Fach) / Kapitel 11 (Lektion)

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• Natürliche Hauptbestandteile der trockenen Luft Stickstoff N2: 78,084% Sauerstoff O2: 20,946% Kohlendioxid CO2: 0,034% In sehr geringen Mengen: Edelgase (z.B. Argon, Neon, Helium, etc.), Wasserstoff (Volumenanteil)
• Was ist Luftqualität? Luftqualität: Konzentration & Deposition von Luftschadstoffen Luftschadstoffe: Menge der Gase und Partikel mit schwankenden Konzentrationen, die ab bestimmten Mengen Schaden verursachen „Immission von Schadstoffen“ Luftkonzentration von Gasen (z.B. Ozon) Luftkonzentration von Partikeln (z.B. Sulfat) Deposition von Luftschadstoffen (z.B. saurer Regen)
• Luftqualität – treibende Faktoren Meteorologische Verhältnisse Chemische Prozesse in der Atmosphäre Emissionen von Luftschadstoffen
• Meteorologische Verhältnisse in der Troposphäre 1. Vertikales Windprofil 2. Atmosphärische Turbulenz 3. Vertikaler Temperaturgradient 4. Atmosphärische Stabilität
• „Gradient -Wind“ Unbeeinflusst durch Reibung der Erdoberfläche Bestimmt durch Großwetterlage (Hoch- und Tiefdruckgebiete)
• Vertikales Windprofil Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu (abnehmender Reibungseffekt) Wirkt auf den horizontalen Transport einer Rauchfahne (Geschwindigkeit und Transportdistanz) Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten und -richtungen in verschiedenen Höhen          - „Wind Shear“ (Windscherung)          - unregelmäßiger Lufttransport zwischen Höhen          - „mechanische Turbulenz“ Durchmischung einer Rauchfahne
• Atmosphärische Turbulenz kurzfristige, unregelmäßige atmosphärische Bewegung (1 s bis 10 min) wichtig für Durchmischung von Schadstoffemissionen je stärker die Turbulenz, desto wirksamer „mechanische Turbulenz“ durch Windscherung „thermische Turbulenz“ durch vertikalen Temperaturgradienten
• Adiabatische Prozesse Adiabatischer Prozess → kein Wärmeaustausch mit umliegender Luft Große Höhe Geringerer Druck Volumen dehnt sich aus Temperatur nimmt ab   Bodennah Hoher Druck  
• Warum ist die adiabatische Temperaturabnahme wichtig? Luftschadstoffemissionen werden mit hohen Temperaturen von Verbrennungsprozessen ausgestoßen große Auftriebskraft schneller vertikaler Transport Luftvolumen kühlt sich mit Höhe in adiabatischen Prozess ab
• Atmosphärische Stabilität (Definition) Definition: Die Tendenz der Atmosphäre, um vertikaler Bewegung oder Turbulenz zu wiederstehen wird durch Temperaturschichtung, Windgeschwindigkeit und andere Faktoren bedingt   "Labile" Atmosphäre: starke Durchmischung von Schadstoffen "Stabile" Atmosphäre: „Temperaturinversion“ geringe Durchmischung von Schadstoffen
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• Temperaturinversion - Beispiel „Strahlungsinversion“ Ausbildung während der Nacht vor allem bei „klarem“ Wetter Ausbildung häufig in Tälern und Mulden Meist wieder Auflösung an folgenden Tag Bodennahe Temperatur nimmt ab (Abstrahlung von Wärme von Oberflächen führt zur Abkühlung der bodennahen Luft) Temperatur der darüber liegenden Schicht ist höher (Inversionsschicht) Verhinderung vertikaler Durchmischung der Schadstoffemissionen Luftschadstoffe werden innerhalb der Bodenschicht (Mixing Layer = Mischungsschicht) gefangen und ihre Konzentrationen nehmen zu
• Kategorien von Luftschadstoffen Primäre Luftschadstoffe gelangen aus technischen Anlagen oder durch natürliche Vorgänge in die offene Atmosphäre. Sekundäre Luftschadstoffe entstehen erst in der Atmosphäre aus den primären Luft verunreinigenden Stoffen.
• Primäre Luftschadstoffe Gase   Schwefeldioxid (SO2) Kohlenmonoxid (CO) Flüchtige organische Verbindungen (VOCs wie Benzol) Stickstoffoxide (NOx)         –Stickstoffmonoxid (NO)         –Stickstoffdioxid (NO2)   Partikel Schwermetalle (z.B. Cd, Ni, Hg, Pb) Feinstaub (Partikel mit < 10 μm Durchmesser - PM 10)
• Sekundäre Luftschadstoffe Säuren (H2SO4, HNO3) → „Saurer Regen“ Ozon (O3) → „Sommersmog“
• Saurer Regen Stickstoffoxide: O + H2O  →  2 OH OH + NO2  →  HNO3   Schwefeloxid: OH + SO2 + O2 → HO2 + SO3 HO2 + SO3 + H2O → H2SO4
• Ozon (O3) Bei Zimmertemperatur gasförmig Stark oxidierende Wirkung, daher für den Menschen giftig Ozon in der hohen Atmosphäre Etwa 90% des Vorkommens in der Atmosphäre befinden sich in der Stratosphäre (Ozonschicht ca. 10 km Höhe) Wirkt dort als Filter gegen UV Strahlung „Ozonlochproblematik“ durch Zerstörung dieser Schicht Ozon in der bodennahen Atmosphäre → Sommersmog
• Bildung von bodennahen Ozon I Entstehung während langanhaltender Schönwetterperioden im Sommer. Vorgängersubstanzen sind Stickstoffoxide und Kohlenwasserstoffe, meist aus Autoabgasen. Phänomen des „Sommersmog“ Ozonbildung Dissoziation:  NO2 → (bei Licht)  NO + O Ozonentstehung:  O + O2 →  O3   Ozonabbau Ozonentfernung: O3 + NO →  NO2 + O2
• Zusammenfassung Luftqualität umfasst Konzentrationen & Deposition von Luftschadstoffen Luftschadstoffe: Menge der Gase und Partikel mit schwankenden Konzentrationen, die ab bestimmten Mengen Schaden verursachen Primäre Luftschadstoffe Sekundäre Luftschadstoffe Bestimmt durch:          -Meteorologische Verhältnisse          -Chemie der Atmosphäre          -Emissionen von Luftschadstoffen

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