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Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter.

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Präsentation zum Thema: "Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter."—  Präsentation transkript:

1 Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter

2 Themen  Atmosphärenchemie Umwandlungsprozesse atmosphärischer Spurenstoffe  Modellierung Methode zur Beschreibung / Aufklärung von Vorgängen

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, J.H. Seinfeld, S.N. Pandis: Atmospheric Chemistry and Physics. John Wiley & Sons, New York, 1997.

6

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 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 nicht validierten Modelles Elemente eines 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

27 Erfolgreiche Modelle Gleichgewichte lineare Änderungen deterministisch charakterisierbare Änderungen zyklische Vorgänge ? ? ?

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

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

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

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

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 = -  g Adiabatische Temperaturänderung dT/dz = -g/c p,d = -9,8 K/km Atmosphärische Stabilität 6 Stabilitätsklassen (stabile/neutrale/labile Schichtung)

37 Transport (1) Massenerhaltung Energieerhaltung Impulserhaltung Geostrophischer Wind Grenzschichtvorgänge (Geländeform, Rauhigkeit) werden meist parametrisiert

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=k hin /k ret

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(  p –  a )g/18  (Stokes flow regime)

45 Trockene Deposition Quelle: Universität Genf v d =1/(r a + r b + r c )

46 Pannonisches Ozon Projekt

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

48 Meteorologie

49 Emission

50 Chemie

51 Validierung

52 Szenario (1)

53 Szenario (2)

54 Ergebnisse

55 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 Quelle: Karman et al., IUAPPA Source 1 x i1 i=1,n Source 2 x i2 i=1,n Source 3 x i3 i=1,n Receptor y i i=1,n 1 2 3

69 Atmosphärenmodelle und die Außenwelt

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

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: Berufsgenossens chaften / DE

83 Modell: CBM-IV (1) Photostationäres Gleichgewicht 1 NO2 = 1 NO 1 O 2 O = 1 O3 3 O3 NO = 1 NO2

84 Modell: CBM-IV (2) Anorganische Chemie NOx - Oxidation 4 O NO2 = 1 NO 5 O NO2 = 1 NO3 6 O NO = 1 NO2 7 NO2 O3 = 1 NO3 8 O3 = 1 O 9 O3 = 1 O1D 10 O1D = 1 O 11 O1D H2O = 2 OH 12 O3 OH = 1 HO2 13 O3 HO2 = 1 OH

85 Modell: CBM-IV (3) Anorganische NOx-Chemie 14 NO3 = 0.89 NO O 0.11 NO 15 NO3 NO = 2 NO2 16 NO3 NO2 = 1 NO 1 NO2 17 NO3 NO2 = 1 N2O5 18 N2O5 H2O = 2 HNO3 19 N2O5 = 1 NO3 1 NO2 20 NO NO = 2 NO2 21 NO NO2 H2O = 2 HNO2 22 NO OH = 1 HNO2 23 HNO2 = 1 NO 1 OH 24 OH HNO2 = 1 NO2 25 HNO2 HNO2 = 1 NO 1 NO2 26 NO2 OH = 1 HNO3 27 OH HNO3 = 1 NO3 28 HO2 NO = 1 OH 1 NO2 29 HO2 NO2 = 1 PNA 30 PNA = 1 HO2 1 NO2

86 Modell: CBM-IV (4) Anorganische Radikale-Chemie 31 OH PNA = 1 NO2 32 HO2 HO2 = 1 H2O2 33 HO2 HO2 H2O = 1 H2O2 34 H2O2 = 2 OH 35 OH H2O2 = 1 HO2 36 OH CO = 1 HO2

87 Modell: CBM-IV (5) Organische Chemie: Aldehyde, Ketone 37 FORM OH = 1 HO2 1 CO 38 FORM = 2 HO2 1 CO 39 FORM = 1 CO 40 FORM O = 1 OH 1 HO2 1 CO 41 FORM NO3 = 1 HNO3 1 HO2 1 CO 42 ALD2 O = 1 C2O3 1 OH 43 ALD2 OH = 1 C2O3 44 ALD2 NO3 = 1 C2O3 1 HNO3 45 ALD2 = 1 FORM 2 HO2 1 CO 1 XO2 46 C2O3 NO = 1 FORM 1 NO2 1 HO2 1 XO2 47 C2O3 NO2 = 1 PAN 48 PAN = 1 C2O3 1 NO2 49 C2O3 C2O3 = 2 FORM 2 XO2 2 HO2 50 C2O3 HO2 =0.79 FORM 0.79 XO HO OH 51 OH = 1 FORM 1 XO2 1 HO2

88 Modell: CBM-IV (6) Organische Chemie: Alkane, Ether 52 PAR OH = 0.87 XO XO2N 0.11 HO ALD PAR 0.76 ROR 8 COC 53 ROR = 0.96 XO2 1.1 ALD 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 = 0.63 ALD HO XO2 0.3 CO 0.2 FORM 0.02 XO2N 0.22 PAR 0.2 OH 20 COC 57 OH OLE = 1 FORM 1 ALD2 -1 PAR 1 XO2 1 HO2 20 COC 58 O3 OLE = 0.5 ALD FORM 0.22 XO2 0.1 OH 0.33 CO 0.44 HO2 -1 PAR 20 COC 59 NO3 OLE = 0.91 XO2 1 FORM 0.09 XO2N 1 ALD2 1 NO2 -1 PAR 20 COC 60 O ETH = 1 FORM 1.7 HO2 1 CO 0.7 XO2 0.3 OH 61 OH ETH = 1 XO FORM 0.22 ALD2 1 HO2 62 O3 ETH = 1 FORM 0.42 CO 0.12 HO2

90 Modell: CBM-IV (8) Organische Chemie: Aromaten 63 TOL OH = 0.44 HO XO CRES 0.56 TO2 402 COC 64 TO2 NO = 0.9 NO2 0.9 HO2 0.9 OPEN 0.1 NTR 65 TO2 = 1 CRES 1 HO2 66 OH CRES = 0.4 CRO 0.6 XO2 0.6 HO2 0.3 OPEN 221 COC 67 CRES NO3 = 1 CRO 1 HNO3 221 COC 68 CRO NO2 = 1 NTR 69 OPEN = 1 C2O3 1 HO2 1 CO 70 OPEN OH = 1 XO2 2 CO 2 HO2 1 C2O3 1 FORM 71 OPEN O3 = 0.03 ALD C2O3 0.7 FORM 0.03 XO CO 0.08 OH 0.76 HO2 0.2 MGLY 72 OH XYL = 0.7 HO2 0.5 XO2 0.2 CRES 0.8 MGLY 1.1 PAR 0.3 TO2 416 COC

91 Modell: CBM-IV (9) Sonst. Organische Chemie 73 OH MGLY = 1 XO2 1 C2O3 74 MGLY = 1 C2O3 1 HO2 1 CO 75 O ISOP = 0.6 HO2 0.8 ALD OLE 0.5 XO2 0.5 CO 0.45 ETH 0.9 PAR 76 OH ISOP = 1 XO2 1 FORM 0.67 HO XO2N 1 ETH 0.4 MGLY 0.2 C2O3 0.2 ALD2 77 O3 ISOP = 1 FORM 0.4 ALD ETH 0.2 MGLY 0.1 PAR 0.06 CO 0.44 HO2 0.1 OH 78 NO3 ISOP = 1 XO2N 1 NTR 79 XO2 NO = 1 NO2 80 XO2 XO2 = 81 XO2N NO = 1 NTR

92 Modell: CBM-IV (10) Sonst. Chemie 82 SO2 OH = 1 SULF 1 HO2 83 SO2 = 1 SULF 84 MEOH OH = 1 FORM 1 HO2 85 ETOH OH = 1 HO2 1 ALD2 86 XO2 HO2 = 87 XO2N HO2 = 88 XO2N XO2N = 89 XO2 XO2N = 90 OH HO2 = 91 CRO =

93 Modell: CBM-IV (11) Biogene Olefine 92 O OLE2 = 0.63 ALD HO XO2 0.3 CO 0.2 FORM 0.02 XO2N 0.22 PAR 0.2 OH 1236 COC 93 OH OLE2 = 1 FORM 1 ALD2 -1 PAR 1 XO2 1 HO COC 94 O3 OLE2 = 0.5 ALD FORM 0.22 XO2 0.1 OH 0.33 CO 0.44 HO2 -1 PAR 1236 COC 95 NO3 OLE2 = 0.91 XO2 1 FORM 0.09 XO2N 1 ALD2 1 NO2 -1 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


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