Trockene und Nasse Deposition Modul Luftchemie

Präsentation zum Thema: "Trockene und Nasse Deposition Modul Luftchemie"—  Präsentation transkript:

1 Trockene und Nasse Deposition Modul Luftchemie 11. 12
Trockene und Nasse Deposition Modul Luftchemie Sabine Banzhaf

2 Gliederung Einführung Saure Deposition Critical Loads
Trockene Deposition Modellierung der Trockenen Deposition Nasse Deposition Messung der nassen Deposition Modellierung der Nassen Deposition

3 Einführung Trockene Deposition Nasse Deposition
Deposition ist der Stoffeintrag von der Atmosphäre auf die Erdoberfläche Man unterscheidet Trockene Deposition Nasse Deposition

4 Saure Deposition (1) Rund 95% der erhöhten Stickoxide in der Atmosphäre sind anthropogenen Ursprungs. Die restlichen 5% stammen aus natürlichen Quellen. Die Hauptquellen sind: Verbrennung von Öl, Kohle und Gas Verkehr Bakterielle Aktivität im Erdboden Waldbrände Vulkanische Aktivitäten Blitze 90% des Schwefels in der Atmosphäre sind anthropogenen Ursprungs. Die Hauptquellen sind: Steinkohle-Industrie Metall-Industrie (Metallschmelze) Vulkanische Aktivitäten Organischer Verfall Meer-Gischt NO + O3  NO2 + O2 2NO2 + H2O  HNO2 + HNO3 NO2 + OH  HNO3 H2O + O3  H2O2 + O2 SO2 + H2O2  H2SO4

5 Kurze Erklärung trockene und nasse Deposition…später sage ich noch mehr dazu  After being released into the atmosphere, sulfur dioxide can either be deposited on the Earth's surface in the form of dry deposition or it can undergo the following reactions to produce acids that are incorporated into the products of wet deposition

6 Saure Deposition (2) Der Säuregrad einer wässrigen Lösung wird über den pH-Wert angegeben. pH < 7 entspricht einer Lösung mit saurer Wirkung pH = 7 entspricht absolut reinem Wasser oder neutraler Lösung pH > 7 entspricht einer alkalischen Lösung (basische Wirkung) Niederschlag hat meist einen pH-Wert zwischen 5.0 und 5.6 aufgrund natürlicher atmosphärischer Reaktionen mit CO2. Fällt der pH-Wert von Niederschlag unterhalb 5.6 so wird er als „saurer Regen“ bezeichent.

7 Saure Deposition (3) Einfluss der sauren Deposition auf Vegetation und Tier Wachsender Säuregrad führt zur Auswaschung von wichtigen Pflanzennährstoffen (Ca, Mg, K etc.)  Abnahme des Pflanzenwachstums Das Schwermetall Al wird in Säuren beweglicher und zerstört die Wurzeln der Pflanzen Saurer Regen verursacht direkten Schaden am Blattwerk der Pflanzen Saure Deposition beeinflusst negativ die Fähigkeit der Blätter Wasser zu speichern  Kombination aus diesen Punkten führt zu verminderten Wachstumsraten und Blütenwuchs. Außerdem sind die Pflanzen aufgrund des Nährstoffmangels anfälliger für Krankheiten, Insekten, Dürren und Frost Gewässer versauern und es kommt in diesen zu Fisch- und Pflanzensterben. Dies hat auch negativen Einfluss auf die Tierwelt in der Umgebung des betroffenen Gewässers

8 Saure Deposition (4) Einfluss der sauren Deposition auf den Menschen
Giftige Metalle, wie Hg und Al können durch die Versauerung von Boden freigesetzt werden. Diese enden im Trinkwasser oder in der Nahrungskette und sind in großen Mengen giftig für den menschlichen Organismus. Erhöhte Konzentrationen von SO2 und NOx führen außerdem vermehrt zu Erkrankungen der Atemwege. Bei Kindern führt der häufige Kontakt mit säurehaltiger Verunreinigung zu einem vermehrten Auftreten von Allergien und Lungenerkrankungen. Außerdem gibt es einen indirekten ökonomischen Einfluss auf die Menschheit. Fisch-, Pflanzen und Waldsterben hat Einfluss auf Industrie und Tourismus. Zuletzt führt saure Deposition zu Schäden an vom Menschen errichteten Konstruktionen und Gebäuden. Kalkstein, Eisen und Stahl wird von der Säure angegriffen.

9 Critical Loads/ Critical Levels (1)
Das Konzept der Critical Levels und Critical Loads wurde für das europäische Luftreinhalteabkommen der UN-Wirtschaftskommission (UN-ECE) entwickelt. Critical Levels sind die quantitative Abschätzung der Konzentration von Schadstoffen in der Atmosphäre (Immission), oberhalb derer direkte Schadeffekte an Rezeptoren (Menschen, Ökosysteme) nach derzeitigem Wissen zu erwarten sind Critical Loads sind die quantitative Abschätzung der Deposition eines oder mehrerer Schadstoffe, unterhalb derer nach bisherigem Wissen keine schädigenden Wirkungen an spezifizierten Rezeptoren nachweisbar sind SO2, NOx, NH3 Abb.: Prinzip der Kartierung

10 Critical Loads/ Critical Levels (2)

11 Critical Loads/ Critical Levels (3)

12 Critical Loads/ Critical Levels (4)

13 Critical Loads/ Critical Levels (5)

14 Trockene Deposition Die Sedimentation von Staubpartikeln (> 10µm) durch Schwerkraft bzw. die Adsorption oder die Diffusion von Gasen und Aerosolen auf Oberflächen bedingen die trockene Deposition Die wichtigsten Einflussfaktoren sind: Partikeleigenschaften (Größe, Form, Dichte, Hygroskopizität) bzw. Gaseigenschaften (Löslichkeit, Reaktivität) und Konzentration des Schadstoffs Parameter der Oberfläche (Rauhigkeitslänge, Landnutzungstyp und dessen Zustand ( Feuchtigkeit)) Meteorologische Konditionen wie Turbulenz (Windgeschwindigkeit, Schubspannungsgeschwindigkeit) atmosphärische Stabilität und relative Feuchte

15 Modellierung der trockenen Deposition (1)
Es gibt Messungen der trockenen Deposition, jedoch nicht kontinuierlich und nicht flächendeckend. Sie dienen hauptsächlich der Verbesserung der Modellierung Messungen sind nur pro Landnutzung möglich  Modellergebnisvergleich mit Messungen nur sehr bedingt möglich  Umgekehrt: Modelle basieren auf den Messexperimenten  Modellierung der trockenen Deposition ist für eine flächendeckende Aussage notwendig (≠ Nasse Deposition) Es wird versucht, anhand bekannter Widerstandsmodelle das unterschiedliche Depositionsverhalten der betroffenen Substanzen zu beschreiben

16 Modellierung der trockenen Deposition (2)
Der Fluss der trockenen Deposition wird anhand der Depositionsgeschwindigkeit beschrieben: Annahme: Prozess der trockenen Deposition besteht aus 3 Schritten Dem aerodynamischen Transport durch die atmosphärische Bodenschicht zu einer sehr dünnen stationären an den Erdboden angrenzenden Luftschicht Dem molekularen (für Gase) bzw. Brownschen (für Partikel) Transport von der stationären Luftschicht, genannt quasi-laminare Schicht, zum Erdboden Der Aufnahme am Erdboden vd: Depositionsgeschwindigkeit C: Konzentration

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18 Modellierung der trockenen Deposition (3)
Der Prozess der trockenen Deposition wird - analog zum elektrischen Widerstand - anhand drei fiktiver in Reihe geschalteter Widerständen, beschrieben: turbulenter Transferwiderstand ra quasi-laminarer Transferwiderstand rd Oberflächenwiderstand rc (für Partikel Annahme: rc=0) Gase Partikel vs ist die Sedimentationsgeschwindigkeit

19 Im gegensatz zu den widerständen ist vs parallel geschaltet  je größer vs, desto größer auch vd
Abhängigkeiten: ra: stabilität der unteren atmosphäre und rauhigkeitslänge  ustar, rauhigkeitslänge und monin-obukhov länge rd: transferkoeffizient der durch ustar dimensioniert ist. Der transferkoeffizient kann durch die schmidt-zahl (=diffusion) ausgedrückt werden, die wiederum (kinematische viskosität der luft)/(molekulare diffusivität der spezies) ist. Für partikel (kinematische viskosität der luft)/(brownsche diffusivität der spezies) neben brownscher diffusion noch impaction wichtig  stokes number noch dazu st=(vs*ustar^2)/(g+viskos). Sedimentationsgeschwindigkeit vs=vs(durchmesser partikel, dichte partikel,…) rc: am schwersten durch theorie beschreibbarer widerstand der drei! Abhängig von oberflächeneigenschaften, tageszeit, jahreszeit, LAI… feuchte spielt hier grosse rolle!!!! Ablagerung am boden ist irreversibel.  ustar=ustar(z)  ustar und z bringen starke abhängigkeit von der landnutzungsklasse mit sich  depositionsgeschw. stark abhängig von der Landnutzungsklasse

20 Modellierung der trockenen Deposition (4)
Typische Depositionsgeschwindigkeiten für die trockene Deposition über Land

21 Modellierung der trockenen Deposition (5)

22 Modellierung der trockenen Deposition (6)
Sources: CORINE/PHARE, UBA-Forest, Dobris-3, TUNDRA, IGBP G. Smiatek

23 Modellierung der trockenen Deposition (7)
Vergleich der modellierten Jahressumme der trockenen Deposition von SOx von REM-Calgrid 2005 (links) und LOTOS-EUROS 2004 (rechts) (dry 2004)

24 Modellierung der trockenen Deposition (8)
Vergleich der modellierten Jahressumme der trockenen Deposition von NOy von REM-Calgrid 2005 (links) und LOTOS-EUROS 2004 (rechts) (dry 2004) 2005 Dry

25 Modellierung der trockenen Deposition (9)
(dry 2004) Vergleich der modellierten Jahressumme der trockenen Deposition von NHx von REM-Calgrid 2005 (links) und LOTOS-EUROS 2004 (rechts)

26 Nasse Deposition Den Eintrag von luftgetragenen Schadstoffen in Ökosysteme durch Niederschlag bezeichnet man als nasse Deposition Die wichtigsten Einflussfaktoren sind: Partikeleigenschaften (Größe, Form, Dichte, Hygroskopizität) bzw. Gaseigenschaften (Löslichkeit, Reaktivität) und Konzentration des Schadstoffs Aktuelle Niederschlags- (Intensität, Tropfengröße) und Wolkeneigenschaften (Tropfengröße, Flüssigwassergehalt)

27 Messung der nassen Deposition (1)
Bulk-Sammler Permanent offene Sammler Niederschlagsdeposition und Anteile der trockenen Deposition werden erfasst Sammleroberfläche im Vergleich zu den natürlichen Oberflächen einen schlechter Akzeptor  wahrer Anteil der Interzeptionsdeposition nur anteilig erfasst Dieser Anteil ist nicht quantifizierbar, d.h. gemessene Depositionsangaben nur auf den speziellen Sammler bezogene Größen Wet-only Sammelvorrichtungen während eines Niederschlags- ereignisses Auffangfläche für offen und nach dem Ereignis wieder zu Ansprechschwelle des Niederschlagssensors wichtig Niederschlagsintensitäten von 0,05 mm/h müssen in mehr als 80% aller Fälle erfasst werden

28 Messung der nassen Deposition (2)
Zusammenstellung eines Datensatzes durch sammeln aller verfügbaren nasse Depositionsmessungen inclusive Stationskoordinaten Kriging-Interpolation  Berechnung von Konzentrationsfelder auf 5x5km2 Gitter Multiplikation der Konzentrationsfelder (5x5km2 Gitter) mit Niederschlagsfeldern des DWD (1x1km2 Gitter)  Berechnung der nassen Depositionsflüsse auf 1x1km2 Gitter

29 Messung der nassen Deposition (3)

30 Messung der nassen Deposition (4)

31 Messung der nassen Deposition (5)

32 Modellierung der Nassen Deposition (1)
Diagnostischer Ansatz basiert auf Messungen der nassen Deposition  Messnetz über Europa dicht genug  Methode führt zu gutem Abbild der aktuellen nassen Depositionen Warum ist neben vorhandenen Messungen der nassen Deposition auch die Modellierung dieser von großem Nutzen?  Modellierung der nassen Deposition mit Hilfe von Chemie Transport Modellen ist für umweltpolitische Maßnahmenplanung hinsichtlich Schadstoffminderungen fundamental ( Critical Loads)  Szenarienrechnungen  source-receptor Analyse  Entwicklung von Maßnahmen

33 Modellierung der Nassen Deposition (2)
Für die Berechnung der Gesamtdeposition benötigt man die nassen und trockenen Depositionsflüsse Nasse Deposition anhand diagnostischer Methode Trockene Deposition nicht flächendeckend messbar  trockene Depositionen werden mit Hilfe von CTM modelliert  Gesamtdeposition wird aus gemessener nassen Deposition und modellierter trockener Deposition berechnet aber Prozesse der nassen und trockenen Deposition sind in der Atmosphäre nicht unabhängig voneinander  physikalische Inkonsistenz  nasse und trockene Deposition modellieren

34 Modellierung der Nassen Deposition (3)
Der nasse Deposition gehen viele physikalische und chemische Einzelprozesse voraus Prozesse teilweise bis heute nicht im Detail durch Messungen erforscht  physikalisch-chemische Prozess beschreibung schwer Vereinfachte Prozessbeschreibung in Modellen durch Parametrisierungen Modelle für operationelle Anwendung Modelle für reine Forschungszwecke

35 Modellierung der Nasse Deposition
These include nucleation scavenging of cloud condensation nuclei (CCN), diffusion scavenging of interstitial aerosol by the activated cloud drops (or ice particles) and impaction of aerosols onto both ice and water hydrometeors sufficiently large to have appreciable fall velocities. Furthermore, as noted by Hudson and Frisbie [1991], the collision-coalescence process will act as an effective aerosol modification mechanism because the larger drops formed will yield, in principle, single aerosol particles upon evaporation either below cloud or in detraining air aloft. Similarly, collection processes, which involve capture of cloud drops by larger falling hydrometeors, would yield the same results if subsequent evaporation was significant. Hence, these processes all act as sort of aqueous-enhanced coagulation processes. In consequence, even processing by non-precipitating clouds can significantly alter the aerosol size distribution, though no aerosol mass may actually be removed from the atmosphere in the immediate process. For precipitating clouds, of course, actual removal in precipitation must be added to all the other processes that impact the aerosol size distribution.

36 Modellierung der Nasse Deposition (4)
Old wetscav New wetscav

37 Modellierung der Nasse Deposition (5)
Parametrisierung mit Hilfe von Auswaschkoeffizienten (Bsp. RCG, (Stern, 2004)) Nassdepositionsrate von Gasen und Aerosolen: Für Gase gilt: Für Partikel werden konstante Auswaschkoeffizienten verwendet Keine explizite Behandlung von in-cloud scavenging In-cloud scavenging leistet größeren Beitrag zur nassen Deposition als below-cloud scavenging (Asman, 1995) C: Konzentration Spurenstoff Λ: Auswaschkoeffizient H(T): temperaturabhängige Henry-Konstante R: Regenrate (vertikal konstant)

38 Modellierung der Nasse Deposition (6)
New RCG wet deposition routine: Gas in-cloud scavenging coefficient: Gas below-cloud scavenging coefficient: Solubility limits for gas-scavenging process

39 Modellierung der Nasse Deposition (7)
New RCG wet deposition routine: Particle in-cloud scavenging coefficient: Particle below-cloud scavenging coefficient: Tost et al., 2005 Ep- particle diameter-dependency Ep=Ep(dp,Re,Sc,St)

40 Modellierung der Nasse Deposition (8)
Nasse Depositionsflüsse wurden anhand zweier verschiedener Parametrisierungen der Prozesses der nassen Deposition mit RCG/TRAMPER simuliert  Vergleich der zwei Modellläufe untereinander und zu UBA-Messungen der nassen Deposition Untersuchungsperiode Mai 2005 Horizontale Auflösung 0.0625°x0.125° ~ 7x8km2 über Europa Vertikale Auflösung 20 Levels 0 bis 5000m neue Version 17 Levels 0 bis 3000m alte Version

41 Modellierung der Nasse Deposition (9)

42 Modellierung der Nasse Deposition (10)

43 Modellierung der Nasse Deposition (11)

44 Modellierung der Nasse Deposition (12)

45 Ausblick Modellierung der Nasse Deposition
Weitere Tests und Entwicklungen an der physikalischen Beschreibung der nassen Deposition Einbau eines variablen pH-Wertes

46 Modellierung der Nasse Deposition (3)
Henry-Gesetz: Das Henry-Gesetz (nach William Henry) beschreibt das Löslichkeitsverhalten von Substanzen in einer Flüssigkeit Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit ist proportional zu seinem Partialdruck über der Flüssigkeit, vorausgesetzt, das Gas geht keine chemischen Reaktionen mit dem Lösungsmittel ein. Das Verhältnis zwischen der Konzentration des Gases in der Lösung caq und seinem Partialdruck pgas bildet eine Konstante, die Henry-Konstante H. Die Henry-Konstante ist temperaturabhängig. HNO(298K)=1.9x10-3 M/atm HSO2(298K)=1.23 M/atm HHNO3(298K)=2.1x105 M/atm [zurück]