Atmosphärenchemie und Modellierung

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1 Atmosphärenchemie und Modellierung
Wilfried Winiwarter

2 Themen Atmosphärenchemie Modellierung
Umwandlungsprozesse atmosphärischer Spurenstoffe Modellierung Methode zur Beschreibung / Aufklärung von Vorgängen Konzentration auf Modellierung, wenn ausreichend Vorwissen auf Atmosphärenchemie

3 Inhalte (1) Was sind Modelle ?  Modelltheorie
Was kann überhaupt dargestellt werden ?  Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie, Werkzeuge: Expertensysteme, Fuzzy logic, Genetische Algorithmen, Zelluläre Automaten, Autonome Agenten, Finite Elemente … Skalen: Streetcanyon-modelling – Stadt-Umland (urban-airshed) – regional – kontinental – global (GCM)

4 Inhalte (2) Modellierte Aspekte: Ausbreitung; Umwandlung;
Z.B. Ozonbildung, Versauerung, stratosphärisches "Ozonloch" Anwendungen Klimaforschung – Ozonforschung – Ausbreitungs-rechnungen – Integrierte Modelle (RAINS) Modellunsicherheit, Aussagegrenzen, Interpretationen Wirkungen auf Umweltgesetzgebung und -verordnungen

5 Zentrale Unterlagen M.Z. Jacobson: Fundamentals of Atmospheric Modeling. Cambridge University Press, 1999. J.H. Seinfeld, S.N. Pandis: Atmospheric Chemistry and Physics. John Wiley & Sons, New York, 1997.

6 Erkenntnistheorie Heinz v. Förster, Wissen und Gewissen, Suhrkamp, 2000 Carl Sagan, Is there life on Earth ? Nature 365, 694 (1993) Douglas Hofstadter, Goedel, Escher, Bach, Klett-Cotta, 1979 Werner Heisenberg, Quantentheorie und Philosophie, Reclam 1979; Hermann Haken, Synergetik, Springer, 1990, James Lovelock, The Ages of Gaia, W.W. Norton, 1988. Mehr „esoterisch“

7 ein Modell …

8 Was sind Modelle ?

9 Modelltheorie Nachbildung eines Systems:
Teil der Wirklichkeit Minimum: 2 Komponenten + Interaktion also: Modelle bilden Teil der Wirklichkeit nach Vereinfachung auf Funktion des Systems

10 Arten von Modellen Mechanistisch / analytisch Empirisch / statistisch
zeigt Verhalten des Systems beschreibt innere Zusammenhänge Kausalität bleibt gewahrt Empirisch / statistisch „black box“ Input /output Relationen werden berücksichtigt

11 Funktion eines Modelles
Modelle werden gewöhnlich induktiv (aus Meßdaten) abgeleitet Modell muß über die getesteten Werte (Muster) hinaus Gültigkeit besitzen

12 Modellbau Problemformulierung Annahmen über das System
Darstellung der [mathematischen] Verbindungen im System [Programmierung] Validierung

13 z.B. Kohlenstoffkreislauf
Quelle: Austrian Carbon Balance Model (ACBM)

14 EXKURS Modellbau in der Verfahrenstechnik:
Zur Planung und Darstellung der Zusammenstellung von Anlagenteilen Als Übergang vom Labormaßstab zur Pilotanlage (=Technikum). Upscaling erforderlich! Strömungskanäle

15 GG1

16 GG2

17 Bay Model

18 Bay area model

19 Bay area - rivers

20 Bay area map

21 Wissenschaftliche Kriterien
Richtigkeit Nachvollziehbarkeit Modellunsicherheit

22 Skizze „Validierung“ Elemente eines validierten Modelles
Elemente eines nicht validierten Modelles

23 Proprietary models Nicht zugänglich Nicht extern validierbar
Weniger zuverlässig Weniger glaubwürdig  öffentlicher Zugang zu Software !

24 Reproduzierbarkeit Unsicherheit des Modelles
Unsicherheit der Validierung Unsicherheit des gewählten Modellansatzes

25 Detaillierungsgrad Erhöhung des Inputs so lang, wie Genauigkeit der Ergebnisse verbessert wird Weitere Details durch Art des Modells, Art der Inputdaten nicht sinnvoll, da zu keiner Verbesserung des Ergebnisses führend

26 Wann ist ein Modell erfolgreich ?
einfach mehrfache Einsatzgebiete praktische (verkaufbare) Anwendung Bestechende, „schöne“ Mathematik monokausal Text/Bild-Folie

27 Erfolgreiche Modelle Gleichgewichte lineare Änderungen
deterministisch charakterisierbare Änderungen zyklische Vorgänge ? ? ? Text/Bild-Folie

28 Schöne Lösungen erfolgreich,
weil ... die Natur einfach gebaut ist ? weil ... der Mensch einfache Muster entwickeln und verwenden kann ?  Ergebnisse entsprechen dem menschlichen Denkmuster ! (Ästhetik der Naturwissenschaften)  Blickwinkel des Beobachters Text/Bild-Folie

29 „Erfindung“ schöner Lösungen
Differenzialgleichungen: Trennung der Variablen (=unabhängige Betrachtung von Einzelphänomenen) Mathematik: Koordinatentransformation Willkürliche Auswahl der Systemgrenzen Physik: grand unified theory Text/Bild-Folie

30 Systemgrenzen: Individuum
Hofstadter: „Tante Ameisenkolonie“ Lovelock: GAIA - Hypothese Sagan: Life on Earth Text/Bild-Folie

31 Das Modell und der Beobachter
Der Beobachter beeinflusst die Problembehandlung Beobachtung des Beobachters erforderlich Problem der interdisziplinären Äquivalenz = Übertragbarkeit von Erklärungen Text/Bild-Folie

32 Komponenten von Modellen
Input / Output Dichtenänderung (Verteilung) Umwandlung Transport

33 Kompartment - Modell

34 atmosphärische Prozesse
Ausbreitung Transport Gasphasenchemie Nukleation, Ad-/Absorption Wolkenprozesse Deposition

35 Gauss‘sche Ausbreitungsrechnung
Quelle: LUA, Nordrhein-Westfalen

36 Ausbreitungsrechnung
Barometrische Höhengleichung dp/dz = -r g Adiabatische Temperaturänderung dT/dz = -g/cp,d = -9,8 K/km Atmosphärische Stabilität 6 Stabilitätsklassen (stabile/neutrale/labile Schichtung) Angaben für trockene Luft: Rho (Dichte)=1,23kg/m³; g (Erdbeschleunigung)=9,81 m/s²; cp,d (spezifische Wärme bei konstantem Druck)=1004,67J/kg/K; potentielle Temperatur

37 Transport (1) Massenerhaltung Energieerhaltung Impulserhaltung
Geostrophischer Wind Grenzschichtvorgänge (Geländeform, Rauhigkeit) werden meist parametrisiert Potentielle Temperatur, Corioliskraft, atmosphärische Turbulenz

38 Transport (2) Lagrange‘sches Trajektorienmodell (1-D)
Euler‘sches Modell (3-D)

39 Gasphasenchemie Charakteristika: Sehr niedrige Konzentrationen
oxidatives Potential Reaktionen müssen erst aktiviert werden  Photochemie

40 Chemische Kinetik Reaktionen 2. Ordnung Reaktionen Pseudo-1. Ordnung
Gleichgewichte K=khin/kret

41 Mehrphasenreaktionen
feinverteilte Partikel in der Gasphase: Aerosol Aufkonzentrierung Oberfläche Andere (insbes. wässrige) Phase

42 Teilschritte Nukleation: schwerflüchtige Reaktionsprodukte
turbulente Diffusion molekulare Diffusion Grenzschichtübergang (molekulare Diffusion)

43 Wolken Kondensationsenthalpie  Energieerhaltung
Bergeron-Findeisen Prozess „rainout“ „washout“

44 Deposition Nasse Deposition Okkulte Deposition / Interzeption
Trockene Deposition Widerstandsmodell Sedimentation v=d²(rp – ra)g/18 (Stokes flow regime)

45 Trockene Deposition vd=1/(ra + rb + rc) Quelle: Universität Genf

46 Pannonisches Ozon Projekt

47 Komponenten / Beispiel
Box: Emission Chemie Diffusion Deposition vert. Advektion alte Konzentration neue Konzentration Produktions-, Verlustterm QSSA

48 Meteorologie

49 Emission

50 Chemie

51 Validierung

52 Szenario (1)

53 Szenario (2)

54 Ergebnisse

55 Applied Modelling of Air Pollutants
AMAP Applied Modelling of Air Pollutants

56 Statistische und Blackbox-Modelle

57 Black-Box input output

58 „besondere“ statistische Modelle
„semi - Black-Box“ Verfahren genetische Algorithmen zelluläre Automaten autonome Agenten Fuzzy-logic

59 Genetische Algorithmen
Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien

60 Zelluläre Automaten Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien

61 Autonome Agenten

62 Fuzzy Logic Quelle: Universität Linz, FLLL

63 Neuronale Netze Quelle: Leslie Smith / University of Stirling

64 „andere“ Modelle Nicht validierbare, explizite Modelle:  Sinnlos ?
„Expertensysteme“ !!

65 Expertensysteme Sehr detailliert
geben nach bestem Stand des Wissens wieder, wie die Zusammenhänge innerhalb eines Systems sind Teilbereiche mögen validiert sein können insgesamt aber keinen Anspruch auf Prognose über den Testbereich hinaus halten (auch wenn sie häufig so verwendet werden)

66 Statistische Methoden zur Ursachenaufklärung

67 Fourier - Analyse Quelle: ST Rao, LOOP workshop 2001

68 Receptor modelling Source 1 xi1 i=1,n 3 Receptor yi i=1,n 1
2 3 Quelle: Karman et al., IUAPPA

69 Atmosphärenmodelle und die Außenwelt

70 DPSIR – Konzept (EEA) Drivers Pressure State Impact Response
(sozio-ökonomisch) (technisch- physikalisch) State (chemisch - analytisch) Impact (biologisch, ökologisch) Response (politisch)

71 Beispiele für Atmosphärenmodelle
EMEP - Modell: simuliert Schadstofftransport über Europa Urban Airshed Modell (etwa UAM-IV, UAM-V d. U.S. EPA, CAMx, CALGRID) Global Circulation Model

72 Mehrphasenmodelle Critical Load modelling
Coupled ocean-atmosphere models Modellierung von Klimafolgen

73 Integrierte Modelle Rückbezug auf „Fußabdruck“ einer Aktivität:
GEMIS mit ökonomischer Bewertung: RAINS Integrated Assessment Modelling

74 Problemorientierte Modellierung
Wirkung  Ursache Maßnahme  Verbesserung

75 Saurer Regen Quelle: Doerner, IFB, Uni Stuttgart

76 Lokale Immission Quelle: Minnesota Pollution Control Agency

77 Eutrophierung Quelle: BBGes, Berlin

78 Ozon Quelle: U.S. EPA

79 Staub Quelle: Vermont Agency of Natural Resources

80 Klima Quelle: Milos Travel

81 Stratosphärenchemie Quelle: CNN / NASA

82 Lärm Quelle: Berufsgenossenschaften / DE

83 Modell: CBM-IV (1) Photostationäres Gleichgewicht 1 NO2 = 1 NO 1 O
3 O3 NO = NO2

84 Modell: CBM-IV (2) Anorganische Chemie NOx - Oxidation 4 O NO2 = 1 NO
7 NO O = NO3 8 O = O 9 O = O1D 10 O1D = O 11 O1D H2O = OH 12 O OH = HO2 13 O HO = OH

85 Modell: CBM-IV (3) Anorganische NOx-Chemie
14 NO = NO O NO 15 NO NO = NO2 16 NO NO = NO NO2 17 NO NO = N2O5 18 N2O5 H2O = HNO3 19 N2O = NO NO2 20 NO NO = NO2 21 NO NO H2O = HNO2 22 NO OH = HNO2 23 HNO = NO OH 24 OH HNO = NO2 25 HNO2 HNO = NO NO2 26 NO OH = HNO3 27 OH HNO = NO3 28 HO NO = OH NO2 29 HO NO = PNA 30 PNA = HO NO2

86 Modell: CBM-IV (4) Anorganische Radikale-Chemie 31 OH PNA = 1 NO2
32 HO HO = H2O2 33 HO HO H2O = H2O2 34 H2O = OH 35 OH H2O = HO2 36 OH CO = HO2

87 Modell: CBM-IV (5) Organische Chemie: Aldehyde, Ketone
37 FORM OH = 1 HO CO 38 FORM = 2 HO CO 39 FORM = 1 CO 40 FORM O = 1 OH HO CO 41 FORM NO = 1 HNO HO CO 42 ALD2 O = 1 C2O OH 43 ALD2 OH = 1 C2O3 44 ALD2 NO = 1 C2O HNO3 45 ALD = 1 FORM HO CO XO2 46 C2O3 NO = 1 FORM NO HO XO2 47 C2O3 NO = 1 PAN 48 PAN = 1 C2O NO2 49 C2O3 C2O = 2 FORM XO HO2 50 C2O3 HO =0.79 FORM XO HO OH 51 OH = 1 FORM XO HO2

88 Modell: CBM-IV (6) Organische Chemie: Alkane, Ether
52 PAR OH = XO XO2N 0.11 HO ALD2 -0.11 PAR ROR 8 COC 53 ROR = XO ALD2 0.94 HO PAR 0.04 XO2N 54 ROR = 1 HO2 55 ROR NO2 = 1 NTR

89 Modell: CBM-IV (7) Organische Chemie: Olefine
56 O OLE = ALD HO XO CO 0.2 FORM XO2N PAR OH 20 COC 57 OH OLE = FORM ALD PAR XO2 1 HO COC 58 O OLE = ALD FORM XO OH 0.33 CO HO PAR COC 59 NO OLE = XO FORM XO2N 1 ALD2 1 NO PAR COC 60 O ETH = FORM HO CO 0.7 XO OH 61 OH ETH = XO FORM ALD2 1 HO2 62 O ETH = FORM CO HO2

90 Modell: CBM-IV (8) Organische Chemie: Aromaten
63 TOL OH = HO XO CRES 0.56 TO COC 64 TO NO = NO HO OPEN 0.1 NTR 65 TO = CRES HO2 66 OH CRES = CRO XO HO2 0.3 OPEN COC 67 CRES NO3 = CRO HNO COC 68 CRO NO2 = NTR 69 OPEN = C2O HO CO 70 OPEN OH = XO CO HO2 1 C2O FORM 71 OPEN O3 = ALD C2O FORM 0.03 XO CO OH 0.76 HO MGLY 72 OH XYL = HO XO CRES 0.8 MGLY PAR TO2 416 COC

91 Modell: CBM-IV (9) Sonst. Organische Chemie 73 OH MGLY = 1 XO2 1 C2O3
74 MGLY = C2O HO CO 75 O ISOP = HO ALD OLE 0.5 XO CO ETH 0.9 PAR 76 OH ISOP = XO FORM HO2 0.13 XO2N ETH MGLY 0.2 C2O ALD2 77 O ISOP = FORM ALD ETH 0.2 MGLY PAR CO 0.44 HO OH 78 NO ISOP = XO2N NTR 79 XO NO = NO2 80 XO XO = 81 XO2N NO = NTR

92 Modell: CBM-IV (10) Sonst. Chemie 82 SO2 OH = 1 SULF 1 HO2
83 SO = SULF 84 MEOH OH = FORM HO2 85 ETOH OH = HO ALD2 86 XO HO2 = 87 XO2N HO2 = 88 XO2N XO2N = 89 XO XO2N = 90 OH HO2 = 91 CRO =

93 Modell: CBM-IV (11) Biogene Olefine
92 O OLE2 = ALD HO XO2 0.3 CO FORM XO2N 0.22 PAR OH COC 93 OH OLE2 = FORM ALD PAR 1 XO HO COC 94 O OLE2 = ALD FORM XO2 0.1 OH CO HO2 -1 PAR COC 95 NO OLE2 = XO FORM XO2N 1 ALD NO PAR 1236 COC

94 Kompartiment - Modell ModelMaker (kommerzielle Software)

95 Modellintegration (1) Standardisierte Schnittstellen für Umweltmodelle aller Art Konvertierungen zwischen Datenformaten nicht mehr erforderlich

96 Modellintegration (2) Erhöhte Vergleichbarkeit
Einfachere Kopplung erlaubt Verknüpfungen, die sonst unmöglich bleiben Unterschiedliche Input-Datenqualitäten Überinterpretation von Ergebnissen