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Atmosphärenchemie 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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Presentation Transcript
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.
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
bay model
Bay Model

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

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
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

komponenten beispiel

vert. Advektion

Diffusion

Chemie

Emission

Deposition

Produktions-,

Verlustterm

neue Konzentration

alte Konzentration

QSSA

Komponenten / Beispiel

Box:

slide55

AMAP

Applied Modelling of Air Pollutants

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

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)
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

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

slide78
Ozon

Quelle: U.S. EPA

staub
Staub

Quelle: Vermont Agency of Natural Resources

klima
Klima

Quelle: Milos Travel

stratosph renchemie
Stratosphärenchemie

Quelle: CNN / NASA

slide82
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
ad