Atmosphärenchemie und Modellierung

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" • AnwendungenKlimaforschung – 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.

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 http://www.spn.usace.army.mil/bmvc/

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

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 = -r g • Adiabatische Temperaturänderung dT/dz = -g/cp,d = -9,8 K/km • Atmosphärische Stabilität6 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 • GleichgewichteK=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. vert. Advektion Diffusion Chemie Emission Deposition Produktions-, Verlustterm neue Konzentration alte Konzentration QSSA Komponenten / Beispiel Box:

48. Meteorologie

49. Emission

50. Chemie