Wissenschaftliche Fakten zur Atmosphäre, Strahlung, CO2, Wetter, Klima, Thermodynamik
 

4.2.3 CO2, ein essentieller Naturstoff, physikalisch/chemische Eigenschaften

 


In diesem Kapitel wird gezeigt, daß das atmosphärische Spurengas CO2 für die Lebensvorgänge aller Organismen unabdingbar ist und keineswegs ein Klimakiller ist. Eine Reduktion dieses essentiellen Naturstoffes wirkt sich negativ auf alle Lebensvorgänge aus. Dies wird an 5 wichtigen CO2-abhängigen Vorgängen gezeigt.

1. CO2 ist die Quelle allen organischen Lebens: Photosynthese

2. CO2 wirkt bei der Entstehung von Mineralwässern mit: Kalkgleichgewicht

3. CO2 dient zur Aufrechterhaltung des Blut-pH- Wertes: Bikarbonatpuffer

4. CO2 hilft bei der Entgiftung in Tier und Mensch: Harnstoff-Zyklus

5. CO2 wird von fast allen Lebewesen ausgeatmet: Zellatmung/Gärung

Physikalische Eigenschaften

Kohlenstoffdioxid ist ein farbloses Gas mit leicht säuerlichem Geruch und Geschmack, welches schwerer als Luft ist. Es unterhält die Verbrennung nicht und ist chemisch sehr stabil. In Wasser löst es sich gut und reagiert dabei zu Kohlensäure. Bei 15 °C löst ein Liter Wasser etwa ein Liter Gas.

 

 

CO2


Einige Daten zu CO2:  
SpaceMolmasse:        44.01 g/mol
SpaceSiedepunkt:        -78.5 oC   
SpaceDichte :   1.799 g/l bei 25 °C und 1 bar (= 1,52 mal größer als die Dichte von Luft)
SpaceWärmeleitfähigkeit: 0,0146 (W/mK)  (Luft: 0,0241; Wasser: 0,6)
SpaceWasserlöslichkeit:     3.48 g pro Liter bei 0 °C ( = 0,143 Vol%) und 1.45 g/l bei 25 oC. 
Quellen: Physikbücher


Löslichkeit in Wasser

Gase lösen sich in Flüssigkeiten. Diese Lösungsvorgänge sind Gleichgewichtsvorgänge für die eine Gleichgewichtskonstante K formuliert werden kann.
Zum Beispiel das Gleichgewicht zwischen dem Gas CO2 und seiner gelösten Form in Wasser ist :

Die Gleichgewichtskonstante für dieses Gleichgewicht ist:

K = p(CO2)/c(CO2).

Die Gleichung zeigt, daß die Konzentration des gelösten Gases in der Lösung direkt proportional dem Partialdruck des Gases oberhalb der Lösung ist. Dieser Zusammenhang ist als Henrysches Gesetz bekannt, ( 1800 durch J.W. Henry). Heute formuliert man das Henrysche Gesetz so:


p = K'H c

Dabei bedeutet: p = Partialdruck des Gases, c = seine molare Konzentration und K'H = die Henrysche Konstante (mol/l).


Die Henrysche Konstante ist temperaturabhängig. Ihr Wert steigt mit steigender Temperatur. Deshalb nimmt die Löslichkeit des Gases bei steigender Temperatur ab.

Die Abnahme der Löslichkeit des Gases mit steigender Temperatur ist ein Beispiel für das Prinzip von Le Chatelier. Die Lösung der meisten Gase ist exotherm. Deshalb führt die Temperaturzunahme zur Gasfreisetzung.

Das Gleichgewicht : (z.B. bei 25°C) liegt stark auf der Seite von CO2(aq) (ca. Faktor 3000)

SpaCO2(aq) <--> CO2(g) DH°=+22 J
a33,42 mmol <--> 0,01 mmol

d.h. entsteht neues CO2, löst es sich sofort in Wasser (Meer, See, Fluß).

CO2 löst sich wegen des pH von ca. 8 viel besser in Meerwasser als im Süßwasser. Dabei geschehen folgende Reaktionen

CO2 + H2O ----> H2CO3 (Kohlensäure) ca. 1%
H2CO3 ----> H+ + HCO3- (Bicarbonat Ion) ca. 95 %
HCO3- ----> H+ + CO32- (Carbonat Ion) ca. 4%

Die Gesamtmenge anorganisches C wird DIC genannt.

Ursache:

Das CO2 bildet in Wasser einen Hydratationskomplex in Form eines Dodekaeders mit 18 Wassermolekülen wobei jedes CO2 Sauerstoffatom über Wasserstoffbrücken mit 3 Wassermolekülen verbunden ist.

[CO2 in an 18-molecule water dodecahedral cluster]

Quelle : http://www.sbu.ac.uk/water/co2.html

Ein Teil des im Wasser gelösten CO2 reagiert zu Kohlensäure.

 

Strahlungseigenschaften von CO2

Die Fähigkeit von Molekülen IR-Strahlung zu absorbieren wird bei der Infrarotspektroskopie und Thermographie ausgenützt.
CO2 besitzt 2 wichtige Anregungszustände bei ca.
4mm und 15 mm mit einer Verweildauer der Elektronen im ms-Bereich. (ca. 10-5 -10-4 s), bevor IR-Licht emittiert wird.

Atome und Moleküle können Strahlung absorbieren. Dabei nehmen die Elektronen die Energie des Photons ( = Energiepakets der Stahlung) auf und gehen dabei in einen angeregten Zustand über, dargestellt als eine höhere Bahn.

Dort verweilen sie jenach absorbierter Strahlung länger (bei Absorption von Strahlung geringer Energie) und kürzer, je höher der Energiegehalt der Strahlung ist (kurzwelliger).

Die Elektronen des CO2 können Vibrations- und Rotationszustände als Anregungszustände einnehmen (siehe unten).

Absorption von Strahlung durch ein Atom
 

Der Übergang in den Grundzustand kann jedoch durch verschiedene Vorgänge bewirkt werden. Dazu gehören auch Kollisionen mit anderen Teilchen, in der Luft z.B. N2 und O2, bei denen es zur Abstrahlung und/oder keiner Emission kommt. Ist die Verweildauer im angeregten Zustand kürzer als die Zeit zwischen Kollisionen, wird die absorbierte Energie wieder abgestrahlt. (z.B bei höherer Luftdichte)

Nachfolgend ist das Absorptionsspektrum von CO2 im Vergleich mit H2O zu sehen:

Quellen: Kirby et al., Proc. Comb. Inst. Vol 28, 2000/pp.253-259

 

Quelle: http://www.ens-lyon.fr/Planet-Terre/Infosciences/Climats/Rayonnement/Cours/partie2/partie2_2.htm#IR

 

Und hier das atmosphärische Emissionspektrum bezüglich CO2 und H2O.

Man beachte die Strahlungstemperatur von CO2 und der Erdoberfläche. Die Strahlungstemperatur von CO2 beträgt ca. - 53°C. Eine solche Temperatur wird nur in ca. 11 km Höhe bei ca. 0, 3 bar Druck gemessen. Bei diesen Bedingungen ist die Teilchengeschwindigkeit und Stoßzahl wesentlich geringer. Der Boden ist in der Sahara wesentlich wärmer und in der Antarktis kälter.
Weiterhin überlagert die H2O-Absorption, die CO2-Absorption.

Absorption ist die Aufnahme elektromagnetischer Strahlung durch Atome und Moleküle

Emission ist die Abgabe elektromagnetischer Strahlung durch Atome und Moleküle

Messungen der CO2 - Konzentration und des CO2-Flusses

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Weiterführende Quellen:


Elektromagnetische Strahlung: http://www.ccinfo.de/technik/strahlen/strahlung.htm und
http://www.tp2.ruhr-uni-bochum.de/~goeke/Vorlesung_SS2001/html/06-Beobachtungen-im-Universum.htm und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/1166/infrarot.htm

Schwarze Strahler: http://www.imsa.edu/edu/geophysics/atmosphere/energy/Blackbody1.html und
http://www.x20.org/library/thermal/blackbody.htm

Satellitenspektroskopie: http://www.ecmwf.int/services/training/rcourse_notes/DATA_ASSIMILATION/REMOTE_SENSING/Remote_sensing7.html
http://www.pc.ruhr-uni-bochum.de/~arnold/ir/

Spektren: http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm
http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

Geschichte: http://www.colby.edu/sci.tech/st215/3.3view/sld010.htm