Emissionen und Deposition

Emissionen lat. emittere = aussenden In der Atmosphärenchemie: Das Einbringen fester, flüssiger oder gasförmiger Materialien in die Atmosphäre durch mechanische oder chemische Prozesse. Beispiele: Verbrennung und Freisetzung von Gasen (z.B. CO2) Ausdampfen oder Ausgasen (Deponiegas) Abrieb und Aufwirbelung (Straßenstaub) Schwelbrand mit Rauchentwicklung

Grauzone: Staubaufwirbelung: Wie lange muss etwas in der Atmosphäre verweilen, um als „emittiert“ zu gelten? NOx Produktion durch Blitze: Gasentladung in der Atmosphäre – Umwandlung inerter in reaktive Spurengase Verdunstung von Wasserdampf: Wird nicht als Emission betrachtet

Re-Emission: Erneute Emission nach Ablagerung eines Stoffes an der Oberfläche – manchmal erst nach Jahren („persistent organic compounds“ = Biphenyle, ….) Relevant für biogeochemische Kreisläufe (z.B. Kohlenstoff-Freisetzung durch Waldbrände in Torfgebieten)

Bestimmung von Emissionen Bilanzierung (z.B. Menge des verkauften Kraftstoffs, Stöchiometrie  CO2 Emissionen) Messung von Emissionsfaktoren, Bestimmung von “Aktivität” und Technologie Messung von Emissionsverhältnissen (Konzentrations- messungen im Abgas) Tunnelmessungen (mit Verkehrszählung) Eddy-Korrelationsmessungen Inverse Modellierung

Emissionsinventare

National Greenhouse Gas Inventories

Gesamt: 531 Tg/yr, davon 234 Tg/yr anthropogen Termites: ghgonline.org -- pro Termite 0.5 µg CH4 pro Tag; total ~ 20 Tg/yr Gesamt: 531 Tg/yr, davon 234 Tg/yr anthropogen 35-39% der CH4 Emissionen sind natürlich

Zeitliche Entwicklung der Methanemissionen

Beispiel: Methan http://edgar.jrc.ec.europa.eu/part_CH4.php

Methanemissionen aus Feuchtgebieten (Modell) Diffusion f(WTD, temp) Ebullition f(WTD) Tiller f(ecosystem) Soil surface M0 M1 M2 M3 run-on run-off heat& water flux NPP leaf litter root litter microbes soil organic matter f(litter quality, temp) CO2 CH4 1. Water Table Depth (WTD) 2. Production, Decomposition, Methanogenesis 3. Emission, Transport Quelle: Potter, 1997

Methan-Emissionen in der Landwirtschaft cattle output: milk and meat input: food supplements (concentrates) 396 kg/ha manure harvestable crop CH4 Summe Methanemissionen: 567 kg/ha 171 kg/ha soil input: fertilizer Quelle: T. Vellinga

CH4 Emissionen in den Niederlanden 80% der Methan-emissionen stammen von Kühen

Exkurs: CO2 equivalent greenhouse gases 1 kg CO2  1 kg eq-CO2 1 kg CH4  21 kg eq-CO2 1 kg N2O  310 kg eq-CO2 „equivalent“ = „radiative forcing equivalent“

ÜBUNGEN Benutze die Definition der CO2-äquivalenten Emissionen, um die Treibhausgasemissionen holländischer Kuhfarmen abzuschätzen (kg eq-CO2/ha). 8213 km2 der Niederlande sind Weidefläche. Vergleich: CO2-Emissionen: 43300 kg/ha (Durchschnitt 2002). Holländische Farmen halten im Durchschnitt 61 Kühe auf 38 ha Land. Jede Kuh produziert pro Tag 20 l Milch; für 1 kg Gouda werden 10 l Milch benötigt. Berechne die Treibhausgasemissionen aus der Herstellung von 1 kg Gouda. Vergleiche mit CO2 Emissionen aus dem Straßenverkehr. Optional: Vergleiche auch mit Treibhausgasemissionen aus dem Reisanbau. In Indien werden im Durchschnitt 1940 kg Reis pro ha geerntet, CH4 Emissionen sind im Mittel 21 kg/ha (Dünger wird in dieser Rechnung vernachlässigt). Gesamtzahlen: Holland hat 1.5 Mio. Kühe, Indien hat 44.78 Mio. ha Reisanbaufläche. Gesamtfläche NL: 41530 km^2 Davon Landwirtschaft: 46.1% Davon Weideland: 42.9%  8213 km^2 = 821000 ha Weideland Quelle: http://de.worldstat.info/Europe/Netherlands/Land Gesamt-CO2 Emissionen NL in 2002: 180 Mio t (http://www.mnp.nl/mnc/i-en-0170.html) Rechnung 1): 821300 ha * 567 kg/ha * 21 CO2-eq = 9.779 Mio t

TOTAL Source = 1400 – 3700 TgCO/yr Global budget of CO TgCO/yr Fossil fuel : 300-600 Biomass burning: 300-900 (forests, savannas, agric. waste burning, fuel wood use) Vegetation : 50-200 Oceans : 6- 30 Methane oxidation : 400-1000 NMVOC oxidation : 300-1000 TOTAL Source = 1400 – 3700 TgCO/yr Photochemical sink : 1400-2600 Surface deposition: 150-500 TOTAL Sink = 1550 – 3100 TgCO/yr NMVOC CH4

Megacity Emissionen Category Fuel Type used Total Two wheelers Gasoline 3233785 Auto Rickshaws CNG 52185 Passenger Vehicles 1873588 Diesel 207088 117787 Total Passenger Vehicles 2198463 Buses 45907 Goods vehicles Trucks/HCV 96203 LCV Gasoline/ 104607 Total goods vehicles 200810 S. Kumar Sahu

slum pockets for fuel type, usage, ventilation etc. Ratio found to be Information: 70 Slum Pockets (Approx) Slum pockets are distributed in 975 Clusters in Delhi (10-15 clusters per slum) Around 384864 no. of Jhuggis in Delhi Average 6000 Households per cluster Data Generated: 1856 slum houses survey in 63 slum pockets for fuel type, usage, ventilation etc. Ratio found to be Fuel wood, Kerosene and LPG S. Kumar Sahu

Wirtschaftsentwicklung und Emissionen „China plans to increase about 50,000 kilometers of roads this year, of which new expressway will be 4,561 kilometers, new first class highway will be 1,963 kilometers, and new second class highway will be 8,279 kilometers. Meanwhile, the total length of roads will exceed 1.4 million kilometers, of which expressway will exceed 16,000 kilometers, which ranked the third in the world.“ People‘s daily China [2007] Germany 2006: 12360 km

GDP and industrial production in China 2000-2005 Quelle: M. Amann, IIASA

GDP and industrial production in China 2000-2005-2030 (Chinese projection ERI) Quelle: M. Amann, IIASA

Technologische Entwicklung und Emissionen 1893 1915 1930 1950 1985 2000 2005 2020 (?)

Emissionen aus dem Transportsektor Quelle: EEA Report 3/2006

NRW Emissionen LANUV Bericht 2007 – Kapitel 1. Luft, Lärm, Licht

Flugverkehr (NRW) – nur bodennah LANUV Bericht 2007 – Kapitel 1. Luft, Lärm, Licht

Anteile der Verkehrssysteme (NRW)

Technologie-Mix Automobile in Megacities Quelle: M. Osses

Technologischer Stand Automobile 2006 Quelle: M. Osses

Asien holt auf: Clean Air Initiative Asia Quelle: M. Amann

Die EURO Standards

Emissionen: oft gewagte Extrapolation! Beispiel: NMVOC Emissionen aus dem Schiffsverkehr: Einzige Veröffentlichung ist Cooper et al., 1996

Geographische Verteilung der Emissionen

Geographische Verteilung: Industriebetriebe Quelle: http://www.eper.de

Nutzung hochauflösender Satellitendaten zur Bestimmung von Verkehrsemissionen IKONOS Satellit Quelle: Gerhardinger et al., 2005

Monitoring Emissions from Space Satellite Inventory A. Richter, Uni Bremen

Recent emission trends over China A. Richter, Uni Bremen

Biogene VOC Emissionen Messungen von Isoprenflüssen weltweit Guenther et al., 2006

Wildland fires („Biomass burning“) active fire detection smoke plumes Greece, August 2007

Fire emissions M : Mass of species X in month m EF : Emission factor (kg species/kg dry matter burnt) A : Burnt area (in m2)  : Combustion efficiency AFL : Available fuel load (kg dry matter) k : loop over ecosystems/plant functional types from J. Hoelzemann, PhD 2006

Exkurs: Vertikalverteilung von Emissionen – NOx aus Blitzen B Exkurs: Vertikalverteilung von Emissionen – NOx aus Blitzen B. Ridley, NCAR

Detection of Lightning from Space Gewitter sind ein gewaltiges Naturschauspiel und oft mit hohen Wolken und starkem Niederschlag verbunden. Wie an der Karte der Blitzhäufigkeit links zu sehen ist, treten die meisten Gewitter in den Tropen über den Kontinenten auf. Durch die extrem hohe Temperatur in einem Blitz werden Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle der Luft gespalten und zum Teil in Stickstoffmonoxid (NO) umgewandelt. Man schätzt, dass die so erzeugte Menge an Stickoxiden vergleichbar ist mit dem globalen Gesamtaustoss an Stickoxiden aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffe. Die genaue Zahl ist jedoch nicht bekannt. [Lightning Image Sensor Abbildung: NASA Marshall Space Flight Center, Hintergrundbild: H.E. Edens]

TROCKENDeposition

Quelle: M. Köchy

Definition "Dry deposition is the process by which atmospheric trace chemicals are transferred by air motions to the surface of the Earth." (in the absence of precipitation) Wesely and Hicks, 2000. Ca. 30% der SO2- und 40% der NOx Emissionen in Nordamerika werden auf dem nordamerikanischen Kontinent deponiert.

Spezies, für welche Trockendeposition relevant ist Gruppe 1 Ozon NO, NO2 HNO3 PAN H2O2 & Peroxide NH3, NH4+ Gruppe 2 CH2O & Aldehyde N2O5 SO2, SO42- NO3- CO HONO NO3 Gasphase Partikelphase

Massenfluss und Depositionsgeschwindigkeit Controlling factors: atmospheric turbulence, chemical properties of species, and nature of the surface Deposition mass flux: vD: deposition velocity C: concentration of species at reference height (~10 m) C: Konzentration in einer Referenzhöhe (z.B. 10 m) Größenordnung: vD = 1 cm s-1 (z.B. Ozon) vD = 2 cm s-1 (z.B. HNO3)

Verlustgeschwindigkeit Abschätzung der "Lebensdauer" einer Substanz unter der Annahme von Trockendeposition als einzigem Verlustterm:  : Lebensdauer in s h : durchschnittliche Höhe der Mischungsschicht vD: Depositionsgeschwindigkeit 1000/0.01  ca. 1 Tag Aufgabe: Berechne die Lebensdauer von Ozon (vD=1 cm s-1) bei einer Mischungsschichthöhe von 1000 m.

Das Widerstandsmodell Ra : aerodynamischer Widerstand – turbulenter Massenfluss (gleich für Masse, Wärme und Impuls) Rbi : quasi-laminarer (molekularer) Widerstand für Transport durch bodennahe Grenzschicht – hängt von Diffusivität der Substanz ab Rci : Depositionswiderstand (Aufnahme in der Pflanze, im Boden oder im Wasser) – hängt zum Großteil von Löslichkeit der Substanz ab analog ohmschen Gesetz für elektrische Widerstände

Berechnung der Widerstände Ra, Rb und Rc nach Tuovinen et al., 1998 zS rt turbulenter Austausch zI rm quasi-laminarer Austausch rs

C : dimensionslose Gradientenfunktion Widerstand für turbulenten Austausch Kc : turbulenter Austauschkoeffizient  : von Kármán Konstante (0.4) zI : Höhe der bodennahen Grenzschicht ("canopy height") zS : Höhe der Mischungsschicht u* : "friction velocity" C : dimensionslose Gradientenfunktion U* : friction velocity (Wurzel aus Schubspannung)

Für z < zI Annahme konstanten Flusses: analog Nun Berechnung des molekularen Widerstands rm … Herleitungen aus Tuovinen et al., 1998

Da : Massenaustausch-Koeffizient (Dalton-Zahl) Molekularer Leitwert u* : "friction velocity" Da : Massenaustausch-Koeffizient (Dalton-Zahl) fühlbare Wärme latente Wärme St : Stanton-Zahl I: Verdampfungswärme des Wassers

Mittels Definition der "Sublayer Stanton Number" kann eine von zI unabhängige Formulierung des molekularen Widerstands gefunden werden: B : "Sublayer Stanton number" aC : Inverse der turbulenten Schmidt-Zahl für neutrale Bedingungen CD : Luftwiderstandsbeiwert ("drag coefficient") Herleitungen aus Tuovinen et al., 1998 Dies ist das Rbi aus Folie 12

Beispiel (Brutsaert, 1975): oder Wesely and Hicks, 1977: Bestimmung von rb (im Wesentlichen also von B-1) ist nicht ganz eindeutig. Im Allgemeinen sagt man B hängt ab von der Schmidt-Zahl und der Reynolds-Zahl Beispiel (Brutsaert, 1975): oder Wesely and Hicks, 1977: Experimentell auch Werte B-1 > 20 gefunden v : kinematische Viskosität von Luft Dc : molekulare Diffusivität des Gases i Herleitungen aus Tuovinen et al., 1998

Oft benutzt wird die Parameterisierung von Wesely, 1989:

m = c bei z = zI - d und m(z0/L) = 0 ergibt: Neudefinition des aerodynamischen Widerstands als: Dies ist das Ra aus Folie 12 Näherung durch Extrapolation des Windprofils in der Grenzschicht bis hinunter zu z0+d (z0 = aerodynamische Rauhigkeitslänge). Integration von unter den Annahmen m = c bei z = zI - d und m(z0/L) = 0 ergibt: Herleitungen aus Tuovinen et al., 1998 mit

rst : stomatärer Widerstand (Aufnahme durch Pflanzen) Fehlt noch rs … Einfachstes Modell: Dies ist das Rci aus Folie 12 rst : stomatärer Widerstand (Aufnahme durch Pflanzen) rnst: nicht-stomatärer Widerstand (Boden, Wasser, Eis, …) rs hängt ab vom Material der Oberfläche, der Feuchte, pH Wert, und Löslichkeit und Reaktivität des Spurengases Herleitungen aus Tuovinen et al., 1998

Beschreibung der Erdoberfläche im Modell Rstomatal ∫(PAR, soil moisture) z (~ 30 m) z0 depth (~ 60 m) Sea ice Sea Model representation of the earth’s surface. Grid cells are subdivided into subunits for which emission and deposition processes are calculated. After a time step the net effect is averaged over the grid cell. Wet surface Bare soil Snow/ice 5 soil layers 3.750 (~ 300 km) Soil moisture

Aufbau eines Laubblattes http://de.wikipedia.org/wiki/Blatt_(Pflanze)

Generell: Beschreibung des Oberflächen-Widerstands als (weitere) Widerstandskette ("big leaf model") (1-fwater) fwater Stomata pore res. rp cuticular resistance rcut Ground resistance rcg Water resistance rcw rs = Mesophyllic res. rmes

Typische Werte für rs siehe Seinfeld&Pandis, 1998 Kapitel 19, Seite 973 und Tabelle 19.2

Depositionswiderstand als Funktion von u* aus Tuovinen et al., 1998

Depositionsgeschwindigkeit Ozon aus Tuovinen et al., 1998

Simulierte Trockendeposition von NOy Vergleich der modellierten Jahressumme der trockenen Deposition von NOy von REM-Calgrid 2005 (links) und LOTOS-EUROS 2004 (rechts) (dry 2004) 2005 Dry Grafik von S. Banzhaf, FU Berlin

Wet deposition Cloud Water particles in air gaseous species in air chemical reactions particles in air gaseous species in air Rain, snow Wet deposition rain formation below-cloud scavenging reactions evaporation interception nucleation dissolution after Seinfeld&Pandis, 1998

Datentabellen Trockendeposition 0C 15C Luft: Dichte () 1.292 1.225 kg m-3 Luft: kinematische Viskosität () 1.33e-5 1.46e-5 m2 s-1 "friction velocity" (u*) 0.1-1 m s-1 "roughness length" (z0) 0.0002-10 m Reynolds-Zahl (Re*) 100(?)-1e6 (turbulent bei >1000) Schmidt number (Sc oder ac-1) : Sc = /D  0.7 Luftwiderstandsbeiwert (CD) 0.1-1.8 Dalton number (Da) ca. 0.02-0.1 Diffusionskoeffizienten (D) von Spurengasen in Luft O2 2.4e-5 m2 s-1 (bei 20C) H2O 2.82e-5 m2 s-1 (bei 15C) NH3 2.0e-5 m2 s-1 CO2 1.48e-5 m2 s-1 (bei 9C) CH4 1.96e-5 m2 s-1 (bei 9C) Benzene 0.96e-5 m2 s-1 (bei 25C) Toluene 0.86e-5 m2 s-1 (bei 25C) (D ist in etwa umgekehrt proportional zum Druck) Data from various sources. D largely from E.L. Cussler: Diffusion – Mass transfer in fluid systems, 3rd ed., Cambridge, 2007 Ähnlichkeitsrelation mit Viskosität (Othmer and Chen, 1962) u*: siehe Weber, Boundary Layer Met., 1999 z0: glatte Wasseroberfläche = 2e-4 m, Gras, Straßenbelag = 3e-2 m, offene Savanne = 0.1 m, geschlossene Bebauung, Wald = 1-10 m Bezug zu u* über u_bar(z) = u*/k ln((z-d)/z0); k=0.4 (van Karman const., d=displacement height); siehe http://sts.bwk.tue.nl/drivingrain/fjrvanmook2002/node7.htm CD: z.B. http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html; 0.2 für Sportwagen, 1.8 für Personenzug (hängt von "typischer" Fläche ab) F = CD * ½ rho v^2 A Da: Toya et al., 1990

Abhängigkeit Dalton number von Reynolds-Zahl aus Toya et al., 1990