Vorlesung 10Vulkane und Atmosphäre

Stratosphäre

Ein Vulkanausbruch könnte das Weltklima beeinflussen durch:

1. Treibhauseffekt => globale Erwärmung.

2. Schleuderung des Staubs und Bildung der Aerosolen => „vulkanische Winter“

3. Ozonverlust

4. Sauerregen

5. Atmosphärische optische Dichteschwankungen

Atmosphäre:

Nach griech.: atmos=Dunst

sphaira=Kugel

Die Atmosphäre ist die durch die Massenanziehung der Erde festgehaltene Gashülle.

Kennzeichen ihrer Vertikalstruktur ist die exponentielle Verdünnung mit waschendem Abstand von der Oberfläche des Himmelskörpers. Die Atmosphäre besitzt außerdem keine definierte Obergrenze und weist einen geschichteten Vertikalaufbau auf.

Gaseinträge in die Atmosphäre

• Schwefel: Schwefelverbindungen und vor allem SO2, gehören zu den atmosphärischen Spurengasen. Etwa ein drittel der SO2-Menge in der Troposphäre ist vulkanischen Ursprungs, in der Stratosphäre ist sogar die Hälfte.

• CO2 : Magmatische Emissionen haben angesichts des großen CO2-Reservoirs der Atmosphäre für die Strahlungsbilanz keine große Bedeutung, mit der möglichen Ausnahme großer subaerischer basaltischer Fluteruption.

• Methan, FCKW, Stickoxide: Reduzieren der Ozonkonzentration durch den Eintrag von vulkanischen Aerosolen. Diese Gasen zusammen mit CO2 beitragen zur positiven Klimaforsing und erzeugen sich durch den Treibhauseffekt.

Vulkanismus und die Entstehung der Atmosphäre

Initial origin of the atmosphere

Composition of Atmosphere today not what one expects from cosmological arguments

Abundance of Rare Gases (Neon, Argon etc) very Low

The Earth is about 4.6 billion years old. Little atmosphere early on because most of original gas envelope disappeared because of high heat radiating from planet.

Die am häufigsten auftretenden vulkanischen Gase sind: Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und Schwefeldioxid (SO2). In geringeren Mengen kommen vor: Kohlenmonoxid (CO), Schwefelwasserstoff (H2S), Carbonylsulfid (COS), Salzsäure (HCl), Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Flußsäure (HF), Bor, Bromsäure (HBr), Quecksilberdampf sowie geringste Mengen an Edelmetallen, Metallen und Halbmetallen.

Gases expelled (outgassed) from volcanos formed new Earth atmosphere. Composed mostly of CO2 and water vapor. Clouds reflected about 60% of sunlight. Clouds trapped lots of energy as well.Water began accumulating in liquuid phase form about 4.0 BYA forming earliest terrestrial oceans. A. Widespread volcanic activity released H2O and smaller quantities of CO2, Cl2, N2 and H2 which produced a water vapor in atmosphere that also contained carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and ammonia (NH3).

B. As Earth cooled, the water vapor (1) condensed and (2) fell to Earth's surface. There it accumulated to (3) form the oceans.

Volume of Earth's mantle is 1027 cm3 (average density of 4.5 g/cm3). Total mass for mantle is 4.5 x 1027 g. Water of oceans has mass of 1.4 x 1024 g. Mantle lost 0.031% of mass as water to have produced oceans.

An alternate source of the Earth's ocean water is cometlike balls of ice. measure about 9 m (30 ft) in diameter. enter atmosphere at rate of about 20/second.

At the observed rate of occurrence, Earth would receive 0.0025 mm of water per year.

Four billion years of such bombardment would give enough water to fill the oceans to their present volume.

Notably absent in early atmosphere was free oxygen. Photosynthesizing autotrophs appeared 2.3 BYA

6H2O + 6CO2 + Sunlight <---> C6H12O6 + 6O2

Water + Carbon Dioxide + Sunlight <---> Sugar + Oxygen

Troposphäre: Mischungszone, Luftteilchen vermischen sich ständig weil wärmere Luft bekanntlich aufsteigt. Der Temperaturabfall nach oben führt folglich zur Vermischung der Luftmassen. Stratosphäre: die "geschichtete Zone"; gleichbleibende bis zunehmende Temperatur; stabile Schichtung der Luftmassen Ozonschicht: Die hier vorhandene Wärme entsteht durch den Abbau der UV- Strahlung durch das Ozon. Die vom Ozon absorbierten UV-Strahlen können nicht bis zur Erdoberfläche vordringen und werden in Wärmeenergie umgewandelt. Durch die stabile Schichtung kommt zu keiner Vermischung mit den Luftmassen der Troposphäre die ansonsten die Umweltbelastung leichter hinnehmen würde.

Struktur der Atmosphäre der Erde

CO2 ist der Hauptgrund für den Treibhauseffekt. Es steigt in die Atmosphäre auf, verändert ihren Strahlungshaushalt und speichert die Sonnenstrahlen, die von der Erde reflektiert werden. Eben wie in einem Treibhaus. Die Atmosphäre heizt sich auf.

Die Atmosphäre nimmt die kurzwellige Solarstrahlung von 342 W/m² auf und gibt die reflektierte Strahlung von 107 W/m² sowie die langwellige Wärmestrahlung von 235 W/m² an den Weltraum wieder ab.

Die Strahlungsbilanz der Atmosphäre

Strahlungshaushalt der Atmosphäre (Werte in W/m²)

Schwankungen der Bestrahlungsstärke durch die Sonne in den letzten rund 400 Jahren im Vergleich mit der nordhemisphärischen Sommertemperatur.

Die Sonne strahlt eine Leistung ( Energie/Zeit ) von P=3,8 1026 W in das All. In Höhe der Erdbahn führt dies im Raum zu einem Strahlungsfluss ( Intensität der Strahlung = Energie/Zeit/Fläche) von S = 1368 W/m2. Die Erde wird in mit einer Querschnittsfläche von A = R2 bestrahlt, erhält somit einen Leistung- Input von Pinput = S R2 . Bei einem Erdradius von R = 6370 km ergibt dies 1,74 1017 W oder 1,74 1017 J/s. Die beobachten Schwankungen der Sonnenleistung liegen bei maximal etwa 1% Dabei ist zwischen Leistung und Energie streng zu unterscheiden! Die Albedo der Erde sorgt für eine direkte Reflexion von etwa 30% dieser Energie, sodass nur 1,22 1017 W absorbiert werden.

In erster Näherung gilt für idealisierte schwarze Körper das Stefan- Boltzmannschen Strahlungsgesetz P = A T4 ( = 5,67 10-8 W/m2 K4 und A=strahlende Oberfläche) oder ein Körper mit der Temperatur T in Kelvin strahlt proportional zu T4 und seiner Oberfläche. Betrachtet die Erde als sicherlich stark idealisierten schwarzen Körper auf der Abstrahlungsseite, so kann man dies natürlich auch auf der Eingangsseite tun und die Albedo (nur 70% werden absorbiert) vernachlässigen oder auch nicht. Unsere Näherung liegt dann zwischen beiden Werten. Aus T erhält man einfach die Temperatur in Grad Celsius, wenn man 273 abzieht und anstelle von K dann °C setzt)Albedo 0 Albedo 0,3Pinput= Poutput Pinput= Poutput

S R2= 4 R2 T4 0,70 S R2= 4 R2 T4

T=(S/4)1/4 T=(0,70 S/4)1/4

T=279 K T=255 KT= +6 °C T= -18 °CDas Ergebnis ist eindeutig: die Temperatur der Erde liegt zwischen -18°C und +6°C. Die Erde als idealer schwarzer Körper hat im Strahlungsfeld der Sonne eine Temperatur von etwa +6 °C. Zieht man auf der Inputseite 30% der an der Oberfläche reflektierten Strahlung ab, so erhält man zwar -18 °C, sollte dann aber bei der Emission streng auch nur mit 70% arbeiten. Das fordert die Energiebilanz - Treibhaus hin oder Treibhaus her, Schichtenmodell hin oder Schichtenmodell her (Kirchhoff-Gesetz oder Energiesatz). Der natürliche Treibhauseffekt (zu etwa 90% am Wasserdampf) ergibt eine zusätzliche wärmende Funktion für die Erdoberfläche (wie bei warmer Kleidung) auf die mittleren etwa + 15°C.

Solarkonstante S

T r e i b h a u s e

f f e k t

O z o n s c h i c h t e

V e r a r m u n g

S a u e r r e g e n R e s i d e n z z e i t ,

J a h r e

P r o d u k t i v i t ä t T o n n e n

p r o J a h r

C O 2 + 1 0 0 5 5 0 0 ·1 0 6

C O 1 M o n a t 7 0 0 ·1 0 6

S O 2 + 1 - 1 0 T a g e 5 0 - 7 0 v o n n a t ü r l i c h e n

Q u e l l e n

+ 1 5 0 - 2 0 0 v o n I n d u s t r i e

C H 4 + 1 0 3 0 0 - 4 0 0 v o n n a t ü r l i c h e n

Q u e l l e n

1 0 0 - 2 0 0 v o n I n d u s t r i e

N O x + + 1 T a g 3 0 - 5 0 ·1 0 6

N 2 O + 1 7 0 J a h r e 1 9 ·1 0 6

C F x C l

x

+ + + 6 0 - 1 0 0 J a h r e ?

O 3

Bilanz der Gasen in Atmosphäre

Positive Klimaforcing (Temperaturzunahme) bedingt durch Treibhauseffekt und negative Klimaforcing (Temperaturabnahme) begingt durch die Bildung der Aerosolschichten in der Stratosphäre und Ozonverlust.

Aerosol ist eine stabile Suspension fester und/oder flüssiger Partikel in Luft mit Größenordnung einiger 10-9 m bis zu einigen 10-6 m. Chemische inerte und schlecht wasserlösliche Carbonysulfid die Stratosphäre erreicht, wird es photochemisch in Schwefeldioxid SO2 überführt, welches unter Beteiligung des Hydroxylradikals OH- entsprechend der Reaktionen zu Schwefelsäure H2SO4 reagiert: SO2 +OH => HSO3

HSO3 + OH => SO3+H2OHSO3 + O => SO3 + OHSO3 + H2O => H2SO4

Vulkane können so - zumindest in geologischen Zeiträumen gesehen sehr kurzzeitig, das Klima verändern.

Nach großen Vulkaneruptionen wie El Chichon (1982) oder Pinatubo (1991) ist ein deutlicher Anstieg der globalen stratosphärischen optischen Dicke, d. h. der stratosphärischen Aerosolmenge, zu beobachten. Dadurch wird der Stralungshaushalt beeinflußt und andererseits die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändert.

Die höhere stratosphärische Aerosolgehalt führt aufgrund verstärkter Absorbtion zu einerErwärmung, die in manchen teilen der Stratosphäre bis zu 3,5 K betragen kann. Die Zusätzliche Oberfläche des vulkanischen Aerosoles bewirkt Ozonverlust durch heterogene chemische Reaktionen auch in den mittleren Breiten.

Vulkanaerosolen werden durch Sedimentation aus der Stratosphäre entfernt. Hierbei lassen sich Zeitkonstanten beobachten, die vom Ausmaß der Eruptionswolke bzw. der Menge des in die Stratosphäre injizierten Materials abhängig sind, und typischeweise in der Größenordnung von Monaten bzw. Jahren liegt.

Emissionen sind luftfremde Belastungsstoffe, die in die Atmosphäre gelangen. Immissionen sind die auf Mensch, Tier, Pflanze, Gebäude etc. einwirkenden, luftfremden Stoffe.

* Gesamtausstoß des Vulkans El Chichon (Mexiko 1982): o 500 Mio. t Aschestaub o 70.000 t HF o 40.000 t HCl * Tägliche Emission des Kilauea (Hawaii); o 770 t Schwefel (als H2S, SO2) o 223 t HF o 50 t HCl

Large volcanic eruptions inject water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), hydrochloric acid (HCl), hydrofluoric acid (HF) and ash (pulverized rock and pumice) into the stratosphere. CO2 is a greenhouse gas and contributes to global warming. HCl and HF can dissolve in water and fall to the earth as acid rain. Most of the SO2 is slowly converted to sulfuric acid (H2SO4), which condenses into a mist of fine particles. These sulfate aerosols reflect radiation from the Sun, cooling the troposphere; they also absorb the Earth's heat, warming the stratosphere. The aerosols also promote ozone destruction by altering chlorine and nitrogen chemical species in the stratosphere. As the aerosols settle down into the upper troposphere, they can serve as nuclei for cirrus clouds, further affecting the Earth's radiation balance.

Plinianische Eruption des Mount Spurr, Alaska, Eruptionssäule ca. 18km hoch (18.8.1992).

Pinatubo, Philippinen

Die Aschewolke des Pinatubo erreichen im Verlauf der langen Eruptionsphase im Jahre 1991 beträchtliche Höhen max. 40 km und veränderten die Stratosphäre.

Pinatubo eruption, June 15, 1991. This image was collected during the beginning of the 3-hour- long climactic eruption. The yellow X is the approximate location of the vent and the red outline is the coastline of the northern Philippines.

Pinatubo, 1991Globale Verbreitung der Aerosolen

Nach den Haupteruptionen des Pinatubo wurden vom Satelliten NOAA aus direkte Messungen der Qualität der Atmosphäre (AOT=Aerosol Optical Thickness) durchgeführt. Die Wolke des Pinatubo beendete ihre erste Umrundung der Erde am 7. Juli 1991, danach kreiste sie hauptsächlich in den Bereichen zwischen 30°N und 20°S weiter um die Erde, wobei AOT-Koeffizient im August und September ein Maximum von fast 0,3 erreichte. Ab Oktober wurde der gleiche Effekt dann auch zwischen 40°N und 60°S Breite spürbar, zum großen Teil aufgrund der Aktivität der Hudson (Chili, August 1991) mit einem AOT-Koeffizient nahe 0,2 nahmen die Werte dieser Parameter wieder ab.

Änderung der durchschnittliche Jahrestemperatur pro 10 Jahre: rot - Erwärmung, blau - Abkühlung

Ein Sonnenzyklus dauert 100.000 Jahre und läßt die Erdtemperatur um 5° auf und abschwanken. Wir befinden uns seit 25.000 auf der aufsteigenden Welle dieses Zyklus und erreichen bald den Höhepunkt über den hinaus es wieder ab in die Eiszeit geht. Dann gibt es einen von rund 1000 Jahre mit Schwankungen von +/- 1°. Darüber lagert sich einer von rund hundert Jahren mit +/- 0,5° und schließlich der altbekannte Sonnenfleckenzyklus von rund 10 Jahren. Die Sonne ändert in diesen Zyklen nicht nur die Helligkeit ihres Lichtes (gemessen wurde in diesem Jahrhundert ein Anstieg von etwa 0,03%, also wenig). Stürmischer geht es bei anderen Lichtbestandteilen, etwa beim UV-Licht und vor allem beim Sonnenwind zu. Diese haben großen Einfluß auf Wettergeschehen und die Erderwärmung. Sie verändern nachweislich das Magnetfeld der Erde (seit 1900 + 150%), die Ionisierung der Atmosphäre, sie wirken auf die Luftzirkulation der Erde, die Wolkenbildung und ähnliche Klimafaktoren ein.

Annual mean surface temperatures in the contiguous United States between 1895 and 1997, as compiled by the National Climate Data Center. Horizontal line is the 103-year mean. The trend line for this 103-year period has a slope of 0.022 ºC per decade or 0.22 ºC per century..

El Chichon

Pinatubo

Lufttemperatur

Globale Mittelwert der Lufttemperatrur. Anomalie, Nullpunkt ist 1980.

Ozon Ist eine giftige dreiatomige Form des Sauerstoffs und kommt in der unteren Atmosphäre nur in sehr geringen Mengen vor. Es ist v.a. in Höhen zwischen 20 und 50 Km konzentriert.

Diese Prozesse führen zu einem Konzentrationsgleichgewicht des Ozongehalts. Ozon hält gut die Hälfte der solaren UV-Strahlung zurück. Es bildet somit einen Schutzschirm um die Erde, gefährliche UV-Strahlung wird von Lebewesen ferngehalten. Das Ozon-Konzentrationsgleichgewicht wird allerdings durch Chlorfluormethane (bzw. FCKW) gestört. FCKW werden gespalten und die freiwerdenden Chloratome dezimieren den O3-Gehalt: O3 + Cl ClO + O2

Entstehungsprozeß: 1. E (<240nm) + O2 O + O (E: Elektronmagnetische Energie/Wellenlänge)

2. O + O2 + M O3 + M + E (Wärme) (M: Stoßpartner)

3. E(<1200nm) + O3 O + O2

Schlußfolgerung:

• Vulkane haben einen großen Einfluß auf Luftchemie sowie Strahlungs- Energiehashalt der Atmospäre durch:

• Treibhausgasen H2O, CO2

• Aerosolen und SO2

• Ozonverlust

• Änderung des Albedos der Erde

• Erwärmung und Abnehmende Vergletscherung