Introduction to Atmospheric Chemistry and Physics

Abstract

This lecture offers a compact introduction to atmospheric chemistry and physics. It provides a basic understanding of the composition of the atmosphere and important dynamical and chemical processes. Several topics of environmental importance are explored including summer smog, stratospheric ozone depletion, and climate change. Simple modelling approaches are also introduced.

Objective

Die Vorlesung vermittelt ein Grundverständnis über das komplexe System der Atmosphäre und der wichtigsten physikalischen und chemischen Prozesse. Sie liefert den StudentInnen die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion umweltrelevanter Themen von der Luftbelastung bis zum Treibhauseffekt. Ein grundlegendes Verständnis des komplexen Zusammenspiels verschiedener Prozesse in der Atmosphäre ist Voraussetzung dafür, dass die Umweltverträglichkeit von Bau- und anderen Projekten bezüglich der verschiedenen Umweltaspekte adäquat beurteilt werden kann. So wird z.B. die Luftbelastung eines Standorts durch das Zusammenspiel von Emissionen, Transport, (chemische) Umwandlung und Deposition bestimmt und kann nicht durch die isolierte Betrachtung eines einzelnen Prozesses beurteilt werden. In der Vorlesung werden zudem gezielt Umweltprobleme behandelt, die sich auf ganz unterschiedlichen Skalen auswirken, von der lokalen Feinstaubbelastung bis zum globalen Treibhauseffekt des langlebigen CO2. Die StudentInnen erhalten somit auch das Rüstzeug für die Beurteilung, welche Massnahmen auf lokaler Ebene wirksam sind und welche nicht.

Content

1. Aufbau der Atmosphäre • Vertikale Struktur von Druck und Temperatur • Die Stockwerke der Atmosphäre • Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre • Gebräuchliche Konzentrationsangaben • Ideales Gasgesetz • Hydrostatische Gleichung und barometrische Höhenformel • Geopotential und geopotentielle Höhe 2. Thermodynamik der trockenen und feuchten Atmosphäre • Erster Hauptsatz der Thermodynamik • Das trockenadiabatische Temperaturprofil • Stabile und instabile Schichtung trockener Luft • Die potentielle Temperatur • Wasser in der Atmosphäre • Das Phänomen des Föhns • Stabilitätskriterien für feuchte Luft • Die planetare Grenzschicht • Thermodynamische Diagramme 3. Atmosphärischer Transport • Druckgradientenkraft: Beispiel der Land-Seewind Zirkulation • Corioliskraft • Das geostrophische Gleichgewicht • Strömung in Hoch- und Tiefdruckgebieten ohne und mit Reibung • Der thermische Wind • Die globale Zirkulation: Hadley-Zellen, Passatwind, ITCZ, Westwinddrift • Typische Zeitskalen des horizontalen und vertikalen Transports 4. Reaktionskinetik, Grundlagen der Photochemie • Thermische Reaktionen • Photochemische Reaktionen • Ordnung einer Reaktion • Radikalketten 5. Troposphärische Chemie, Sommersmog • NOx Radikalkette und photostationäres Gleichgewicht • HOx-Radikalkette und die Rolle reaktiver organischer Verbindungen (ROG) - Oxidation von CO (und der ROGs) - Interaktion zw. NOx- und ROx-Radikalketten - Limitierung des Umsatzes • Chemische Regimes in der Abluftfahne einer Stadt: Chemische Alterung • Reduktionsszenarien, EKMA Diagramme • Grenzwerte der Schweizerischen Luftreinhalteverordnung • Übersicht über Langzeit-Entwicklung verschiedener Schadstoffe in der Schweiz 6. Stratosphärische Chemie, polare Ozonzerstörung • Der Chapman-Mechanismus • Katalytische Ozon-Abbauzyklen - Hydroxy-Radikale - Stickoxid-Radikale - Chlor-Radikale • Quell- und Reservoirgase • Polare Ozonzerstörung und Bildung des Ozonlochs - Chemischer Mechanismus - Bildung polarer Stratosphärenwolken (PSCs) - Chronologie der Entstehung des Ozonlochs • Vergangene und zukünftige Trends im stratosphärischen Ozon 7. Klima und Treibhauseffekt • Strahlung - Abstrahlung eines schwarzen Körpers (Stefan-Boltzmann-Gesetz) - Kirchhoff’sches Gesetz für nicht schwarze Körper • Strahlungsgleichgewicht der Erde • Absorption von Strahlung durch die Atmosphäre • Spektroskopie von Gasmolekülen • Ein einfaches Treibhausgas-Modell • Interpretation des terrestrischen Strahlungsspektrums • Definition von Strahlungsantrieb und Treibhauspotential • Die Zukunft des Erdklimas: Prognosen des IPCC 8. Aerosole • Definition und Grössenverteilung • Quellen und Lebenszyklus • Sekundäre Bildung von Aerosolen: Ammonium-Sulfat und –Nitrat • Mechanische Entstehung von Seesalz-Aerosolen • Konzentration und Zusammensetzung in der Atmosphäre • Strahlungswirkung und Klimarelevanz - Reduktion der Sichtweite - Klimawirksamkeit: direkter und indirekter Effekt • Gesundheitsaspekte und Belastung in der Schweiz 9. Einfache Modelle zur Beschreibung der Atmosphäre • Die Kontinuitäts-Gleichung • Eulersche und Lagrangesche Modelle • Ein-Box Modell • Konzept der Lebensdauer • Massenbilanz • Mehrbox-Modelle

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