Atmosph renchemie und modellierung
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Atmosphärenchemie und Modellierung. Wilfried Winiwarter. Themen. Atmosphärenchemie Umwandlungsprozesse atmosphärischer Spurenstoffe Modellierung Methode zur Beschreibung / Aufklärung von Vorgängen. Inhalte (1). Was sind Modelle ?  Modelltheorie

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Atmosph renchemie und modellierung

Atmosphärenchemie und Modellierung

Wilfried Winiwarter


Themen

Themen

  • Atmosphärenchemie

    • Umwandlungsprozesse atmosphärischer Spurenstoffe

  • Modellierung

    • Methode zur Beschreibung / Aufklärung von Vorgängen


Inhalte 1

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)


Inhalte 2

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


Zentrale unterlagen

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.


Erkenntnistheorie

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.


Ein modell

ein Modell …


Was sind modelle

Was sind Modelle ?


Modelltheorie

Modelltheorie

  • Nachbildung eines Systems:

    • Teil der Wirklichkeit

    • Minimum: 2 Komponenten + Interaktion

      • also:

  • Modelle bilden Teil der Wirklichkeit nach

  • Vereinfachung auf Funktion des Systems


Arten von modellen

Arten von Modellen

  • Mechanistisch / analytisch

    • zeigt Verhalten des Systems

    • beschreibt innere Zusammenhänge

    • Kausalität bleibt gewahrt

  • Empirisch / statistisch

    • „black box“

    • Input /output Relationen werden berücksichtigt


Funktion eines modelles

Funktion eines Modelles

Modelle werden gewöhnlich induktiv (aus Meßdaten) abgeleitet

  • Modell muß über die getesteten Werte (Muster) hinaus Gültigkeit besitzen


Modellbau

Modellbau

  • Problemformulierung

  • Annahmen über das System

  • Darstellung der [mathematischen] Verbindungen im System

  • [Programmierung]

  • Validierung


Z b kohlenstoffkreislauf

z.B. Kohlenstoffkreislauf

Quelle: Austrian Carbon Balance Model (ACBM)


Exkurs

EXKURS

Modellbau in der Verfahrenstechnik:

  • Zur Planung und Darstellung der Zusammenstellung von Anlagenteilen

  • Als Übergang vom Labormaßstab zur Pilotanlage (=Technikum). Upscaling erforderlich!

  • Strömungskanäle


Atmosph renchemie und modellierung

GG1


Atmosph renchemie und modellierung

GG2


Bay model

Bay Model

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


Bay area model

Bay area model


Bay area rivers

Bay area - rivers


Bay area map

Bay area map


Wissenschaftliche kriterien

Wissenschaftliche Kriterien

  • Richtigkeit

  • Nachvollziehbarkeit

  • Modellunsicherheit


Skizze validierung

Skizze „Validierung“

Elemente eines validierten Modelles

Elemente eines nicht validierten Modelles


Proprietary models

Proprietary models

  • Nicht zugänglich

  • Nicht extern validierbar

  • Weniger zuverlässig

  • Weniger glaubwürdig

  •  öffentlicher Zugang zu Software !


Reproduzierbarkeit

Reproduzierbarkeit

  • Unsicherheit des Modelles

  • Unsicherheit der Validierung

  • Unsicherheit des gewählten Modellansatzes


Detaillierungsgrad

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


Wann ist ein modell erfolgreich

Wann ist ein Modell erfolgreich ?

  • einfach

  • mehrfache Einsatzgebiete

  • praktische (verkaufbare) Anwendung

  • Bestechende, „schöne“ Mathematik

  • monokausal


Erfolgreiche modelle

Erfolgreiche Modelle

  • Gleichgewichte

  • lineare Änderungen

  • deterministisch charakterisierbare Änderungen

  • zyklische Vorgänge

  • ? ? ?


Sch ne l sungen erfolgreich

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


Erfindung sch ner l sungen

„Erfindung“ schöner Lösungen

  • Differenzialgleichungen: Trennung der Variablen (=unabhängige Betrachtung von Einzelphänomenen)

  • Mathematik: Koordinatentransformation

  • Willkürliche Auswahl der Systemgrenzen

  • Physik: grand unified theory


Systemgrenzen individuum

Systemgrenzen: Individuum

  • Hofstadter: „Tante Ameisenkolonie“

  • Lovelock: GAIA - Hypothese

  • Sagan: Life on Earth


Das modell und der beobachter

Das Modell und der Beobachter

  • Der Beobachter beeinflusst die Problembehandlung

  • Beobachtung des Beobachters erforderlich

  • Problem der interdisziplinären Äquivalenz = Übertragbarkeit von Erklärungen


Komponenten von modellen

Komponenten von Modellen

  • Input / Output

  • Dichtenänderung (Verteilung)

  • Umwandlung

  • Transport


Kompartment modell

Kompartment - Modell


Atmosph rische prozesse

atmosphärische Prozesse

  • Ausbreitung

  • Transport

  • Gasphasenchemie

  • Nukleation, Ad-/Absorption

  • Wolkenprozesse

  • Deposition


Gauss sche ausbreitungsrechnung

Gauss‘sche Ausbreitungsrechnung

Quelle: LUA, Nordrhein-Westfalen


Ausbreitungsrechnung

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)


Transport 1

Transport (1)

  • Massenerhaltung

  • Energieerhaltung

  • Impulserhaltung

    Geostrophischer Wind

    Grenzschichtvorgänge (Geländeform, Rauhigkeit) werden meist parametrisiert


Transport 2

Transport (2)

Lagrange‘sches Trajektorienmodell (1-D)

Euler‘sches Modell (3-D)


Gasphasenchemie

Gasphasenchemie

Charakteristika:

  • Sehr niedrige Konzentrationen

  • oxidatives Potential

  • Reaktionen müssen erst aktiviert werden  Photochemie


Chemische kinetik

Chemische Kinetik

  • Reaktionen 2. Ordnung

  • Reaktionen Pseudo-1. Ordnung

  • GleichgewichteK=khin/kret


Mehrphasenreaktionen

Mehrphasenreaktionen

feinverteilte Partikel in der Gasphase: Aerosol

  • Aufkonzentrierung

  • Oberfläche

  • Andere (insbes. wässrige) Phase


Teilschritte

Teilschritte

  • Nukleation: schwerflüchtige Reaktionsprodukte

  • turbulente Diffusion

  • molekulare Diffusion

  • Grenzschichtübergang

  • (molekulare Diffusion)


Wolken

Wolken

  • Kondensationsenthalpie  Energieerhaltung

  • Bergeron-Findeisen Prozess

  • „rainout“

  • „washout“


Deposition

Deposition

  • Nasse Deposition

  • Okkulte Deposition / Interzeption

  • Trockene Deposition

    Widerstandsmodell

  • Sedimentation

    v=d²(rp – ra)g/18

    (Stokes flow regime)


Trockene deposition

Trockene Deposition

vd=1/(ra + rb + rc)

Quelle: Universität Genf


Pannonisches ozon projekt

Pannonisches Ozon Projekt


Komponenten beispiel

vert. Advektion

Diffusion

Chemie

Emission

Deposition

Produktions-,

Verlustterm

neue Konzentration

alte Konzentration

QSSA

Komponenten / Beispiel

Box:


Meteorologie

Meteorologie


Emission

Emission


Chemie

Chemie


Validierung

Validierung


Szenario 1

Szenario (1)


Szenario 2

Szenario (2)


Ergebnisse

Ergebnisse


Atmosph renchemie und modellierung

AMAP

Applied Modelling of Air Pollutants


Statistische und blackbox modelle

Statistische und Blackbox-Modelle


Black box

Black-Box

output

input


Besondere statistische modelle

„besondere“ statistische Modelle

„semi - Black-Box“ Verfahren

  • genetische Algorithmen

  • zelluläre Automaten

  • autonome Agenten

  • Fuzzy-logic


Genetische algorithmen

Genetische Algorithmen

Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien


Zellul re automaten

Zelluläre Automaten

Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU Wien


Autonome agenten

Autonome Agenten


Fuzzy logic

Fuzzy Logic

Quelle: Universität Linz, FLLL


Neuronale netze

Neuronale Netze

Quelle:

Leslie Smith / University of Stirling


Andere modelle

„andere“ Modelle

  • Nicht validierbare, explizite Modelle: Sinnlos ?

  • „Expertensysteme“ !!


Expertensysteme

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)


Statistische methoden zur ursachenaufkl rung

Statistische Methoden zur Ursachenaufklärung


Fourier analyse

Fourier - Analyse

Quelle: ST Rao, LOOP workshop 2001


Receptor modelling

Source 1xi1 i=1,n

3

Receptoryi i=1,n

1

Source 3xi3 i=1,n

2

Source 2xi2 i=1,n

Receptor modelling

Quelle: Karman et al., IUAPPA


Atmosph renmodelle und die au enwelt

Atmosphärenmodelle und die Außenwelt


Dpsir konzept eea

DPSIR – Konzept (EEA)

Drivers

Pressure

(sozio-ökonomisch)

(technisch-physikalisch)

State

(chemisch -

analytisch)

Impact

(biologisch,ökologisch)

Response

(politisch)


Beispiele f r atmosph renmodelle

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


Mehrphasenmodelle

Mehrphasenmodelle

  • Critical Load modelling

  • Coupled ocean-atmosphere models

  • Modellierung von Klimafolgen


Integrierte modelle

Integrierte Modelle

  • Rückbezug auf „Fußabdruck“ einer Aktivität:

    • GEMIS

  • mit ökonomischer Bewertung:

    • RAINS

    • Integrated Assessment Modelling


Problemorientierte modellierung

Problemorientierte Modellierung

  • Wirkung  Ursache

  • Maßnahme  Verbesserung


Saurer regen

Saurer Regen

Quelle: Doerner, IFB, Uni Stuttgart


Lokale immission

Lokale Immission

Quelle: Minnesota Pollution Control Agency


Eutrophierung

Eutrophierung

Quelle: BBGes, Berlin


Atmosph renchemie und modellierung

Ozon

Quelle: U.S. EPA


Staub

Staub

Quelle: Vermont Agency of Natural Resources


Klima

Klima

Quelle: Milos Travel


Stratosph renchemie

Stratosphärenchemie

Quelle: CNN / NASA


Atmosph renchemie und modellierung

Lärm

Quelle: Berufsgenossenschaften / DE


Modell cbm iv 1

Modell: CBM-IV (1)

Photostationäres Gleichgewicht

1 NO2 = 1 NO 1 O

2 O = 1 O3

3 O3 NO = 1 NO2


Modell cbm iv 2

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


Modell cbm iv 3

Modell: CBM-IV (3)

Anorganische NOx-Chemie

14 NO3 = 0.89 NO2 0.89 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


Modell cbm iv 4

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


Modell cbm iv 5

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 XO2 0.79 HO2 0.79 OH

51 OH = 1 FORM 1 XO2 1 HO2


Modell cbm iv 6

Modell: CBM-IV (6)

Organische Chemie: Alkane, Ether

52 PAR OH = 0.87 XO2 0.13 XO2N

0.11 HO2 0.11 ALD2

-0.11 PAR 0.76 ROR

8 COC

53 ROR = 0.96 XO2 1.1 ALD2

0.94 HO2 -2.1 PAR

0.04 XO2N

54 ROR = 1 HO2

55 ROR NO2 = 1 NTR


Modell cbm iv 7

Modell: CBM-IV (7)

Organische Chemie: Olefine

56 O OLE = 0.63 ALD2 0.38 HO2 0.28 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 ALD2 0.74 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 XO2 1.56 FORM 0.22 ALD2 1 HO2

62 O3 ETH = 1 FORM 0.42 CO 0.12 HO2


Modell cbm iv 8

Modell: CBM-IV (8)

Organische Chemie: Aromaten

63 TOL OH = 0.44 HO2 0.08 XO2 0.36 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 ALD2 0.62 C2O3 0.7 FORM

0.03 XO2 0.69 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


Modell cbm iv 9

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 ALD2 0.55 OLE

0.5 XO2 0.5 CO 0.45 ETH

0.9 PAR

76 OH ISOP = 1 XO2 1 FORM 0.67 HO2

0.13 XO2N 1 ETH 0.4 MGLY

0.2 C2O3 0.2 ALD2

77 O3 ISOP = 1 FORM 0.4 ALD2 0.55 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


Modell cbm iv 10

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 =


Modell cbm iv 11

Modell: CBM-IV (11)

Biogene Olefine

92 O OLE2 = 0.63 ALD2 0.38 HO2 0.28 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 HO2 1236 COC

94 O3 OLE2 = 0.5 ALD2 0.74 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


Kompartiment modell

Kompartiment - Modell

ModelMaker

(kommerzielle Software)


Modellintegration 1

Modellintegration (1)

  • Standardisierte Schnittstellen für Umweltmodelle aller Art

  • Konvertierungen zwischen Datenformaten nicht mehr erforderlich


Modellintegration 2

Modellintegration (2)

  • Erhöhte Vergleichbarkeit

  • Einfachere Kopplung erlaubt Verknüpfungen, die sonst unmöglich bleiben

  • Unterschiedliche Input-Datenqualitäten

  • Überinterpretation von Ergebnissen


  • Login