Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter
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- Folie 1
- Atmosphrenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter
- Folie 2
- Themen Atmosphrenchemie Umwandlungsprozesse atmosphrischer
Spurenstoffe Modellierung Methode zur Beschreibung / Aufklrung von
Vorgngen
- Folie 3
- Inhalte (1) Was sind Modelle ? Modelltheorie Was kann berhaupt
dargestellt werden ? Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie,
Werkzeuge: Expertensysteme, Fuzzy logic, Genetische Algorithmen,
Zellulre Automaten, Autonome Agenten, Finite Elemente Skalen:
Streetcanyon-modelling Stadt-Umland (urban- airshed) regional
kontinental global (GCM)
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- Inhalte (2) Modellierte Aspekte: Ausbreitung; Umwandlung; Z.B.
Ozonbildung, Versauerung, stratosphrisches "Ozonloch" Anwendungen
Klimaforschung Ozonforschung Ausbreitungs- rechnungen Integrierte
Modelle (RAINS) Modellunsicherheit, Aussagegrenzen,
Interpretationen Wirkungen auf Umweltgesetzgebung und
-verordnungen
- Folie 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.
- Folie 6
- Erkenntnistheorie Heinz v. Frster, 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.
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- ein Modell
- Folie 8
- Was sind Modelle ?
- Folie 9
- Modelltheorie Nachbildung eines Systems: Teil der Wirklichkeit
Minimum: 2 Komponenten + Interaktion also: Modelle bilden Teil der
Wirklichkeit nach Vereinfachung auf Funktion des Systems
- Folie 10
- Arten von Modellen Mechanistisch / analytisch zeigt Verhalten
des Systems beschreibt innere Zusammenhnge Kausalitt bleibt gewahrt
Empirisch / statistisch black box Input /output Relationen werden
bercksichtigt
- Folie 11
- Funktion eines Modelles Modelle werden gewhnlich induktiv (aus
Medaten) abgeleitet Modell mu ber die getesteten Werte (Muster)
hinaus Gltigkeit besitzen
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- Modellbau Problemformulierung Annahmen ber das System
Darstellung der [mathematischen] Verbindungen im System
[Programmierung] Validierung
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- z.B. Kohlenstoffkreislauf Quelle: Austrian Carbon Balance Model
(ACBM)
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- EXKURS Modellbau in der Verfahrenstechnik: Zur Planung und
Darstellung der Zusammenstellung von Anlagenteilen Als bergang vom
Labormastab zur Pilotanlage (=Technikum). Upscaling erforderlich!
Strmungskanle
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- GG1
- Folie 16
- GG2
- Folie 17
- Bay Model http://www.spn.usace.army.mil/bmvc/
- Folie 18
- Bay area model
- Folie 19
- Bay area - rivers
- Folie 20
- Bay area map
- Folie 21
- Wissenschaftliche Kriterien Richtigkeit Nachvollziehbarkeit
Modellunsicherheit
- Folie 22
- Skizze Validierung Elemente eines nicht validierten Modelles
Elemente eines validierten Modelles
- Folie 23
- Proprietary models Nicht zugnglich Nicht extern validierbar
Weniger zuverlssig Weniger glaubwrdig ffentlicher Zugang zu
Software !
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- Reproduzierbarkeit Unsicherheit des Modelles Unsicherheit der
Validierung Unsicherheit des gewhlten Modellansatzes
- Folie 25
- Detaillierungsgrad Erhhung 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 fhrend
- Folie 26
- Wann ist ein Modell erfolgreich ? einfach mehrfache
Einsatzgebiete praktische (verkaufbare) Anwendung Bestechende,
schne Mathematik monokausal
- Folie 27
- Erfolgreiche Modelle Gleichgewichte lineare nderungen
deterministisch charakterisierbare nderungen zyklische Vorgnge ? ?
?
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- Schne Lsungen erfolgreich, weil... die Natur einfach gebaut ist
? weil... der Mensch einfache Muster entwickeln und verwenden kann
? Ergebnisse entsprechen dem menschlichen Denkmuster ! (sthetik der
Naturwissenschaften) Blickwinkel des Beobachters
- Folie 29
- Erfindung schner Lsungen Differenzialgleichungen: Trennung der
Variablen (=unabhngige Betrachtung von Einzelphnomenen) Mathematik:
Koordinatentransformation Willkrliche Auswahl der Systemgrenzen
Physik: grand unified theory
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- Systemgrenzen: Individuum Hofstadter: Tante Ameisenkolonie
Lovelock: GAIA - Hypothese Sagan: Life on Earth
- Folie 31
- Das Modell und der Beobachter Der Beobachter beeinflusst die
Problembehandlung Beobachtung des Beobachters erforderlich Problem
der interdisziplinren quivalenz = bertragbarkeit von
Erklrungen
- Folie 32
- Komponenten von Modellen Input / Output Dichtennderung
(Verteilung) Umwandlung Transport
- Folie 33
- Kompartment - Modell
- Folie 34
- atmosphrische Prozesse Ausbreitung Transport Gasphasenchemie
Nukleation, Ad-/Absorption Wolkenprozesse Deposition
- Folie 35
- Gausssche Ausbreitungsrechnung Quelle: LUA, Nordrhein-
Westfalen
- Folie 36
- Ausbreitungsrechnung Barometrische Hhengleichung dp/dz = - g
Adiabatische Temperaturnderung dT/dz = -g/c p,d = -9,8 K/km
Atmosphrische Stabilitt 6 Stabilittsklassen
(stabile/neutrale/labile Schichtung)
- Folie 37
- Transport (1) Massenerhaltung Energieerhaltung Impulserhaltung
Geostrophischer Wind Grenzschichtvorgnge (Gelndeform, Rauhigkeit)
werden meist parametrisiert
- Folie 38
- Transport (2) Lagrangesches Trajektorienmodell (1-D) Eulersches
Modell (3-D)
- Folie 39
- Gasphasenchemie Charakteristika: Sehr niedrige Konzentrationen
oxidatives Potential Reaktionen mssen erst aktiviert werden
Photochemie
- Folie 40
- Chemische Kinetik Reaktionen 2. Ordnung Reaktionen Pseudo-1.
Ordnung Gleichgewichte K=k hin /k ret
- Folie 41
- Mehrphasenreaktionen feinverteilte Partikel in der Gasphase:
Aerosol Aufkonzentrierung Oberflche Andere (insbes. wssrige)
Phase
- Folie 42
- Teilschritte Nukleation: schwerflchtige Reaktionsprodukte
turbulente Diffusion molekulare Diffusion Grenzschichtbergang
(molekulare Diffusion)
- Folie 43
- Wolken Kondensationsenthalpie Energieerhaltung
Bergeron-Findeisen Prozess rainout washout
- Folie 44
- Deposition Nasse Deposition Okkulte Deposition / Interzeption
Trockene Deposition Widerstandsmodell Sedimentation v=d( p a )g/18
(Stokes flow regime)
- Folie 45
- Trockene Deposition Quelle: Universitt Genf v d =1/(r a + r b +
r c )
- Folie 46
- Pannonisches Ozon Projekt
- Folie 47
- Komponenten / Beispiel Emission Chemie Diffusion Deposition
vert. Advektion alte Konzentration neue Konzentration Produktions-,
Verlustterm QSSA Box:
- Folie 48
- Meteorologie
- Folie 49
- Emission
- Folie 50
- Chemie
- Folie 51
- Validierung
- Folie 52
- Szenario (1)
- Folie 53
- Szenario (2)
- Folie 54
- Ergebnisse
- Folie 55
- AMAP Applied Modelling of Air Pollutants
- Folie 56
- Statistische und Blackbox- Modelle
- Folie 57
- Black-Box input output
- Folie 58
- besondere statistische Modelle semi - Black-Box Verfahren
genetische Algorithmen zellulre Automaten autonome Agenten
Fuzzy-logic
- Folie 59
- Genetische Algorithmen Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU
Wien
- Folie 60
- Zellulre Automaten Quelle: Homepage Alexander Schatten, TU
Wien
- Folie 61
- Autonome Agenten
- Folie 62
- Fuzzy Logic Quelle: Universitt Linz, FLLL
- Folie 63
- Neuronale Netze Quelle: Leslie Smith / University of
Stirling
- Folie 64
- andere Modelle Nicht validierbare, explizite Modelle: Sinnlos ?
Expertensysteme !!
- Folie 65
- Expertensysteme Sehr detailliert geben nach bestem Stand des
Wissens wieder, wie die Zusammenhnge innerhalb eines Systems sind
Teilbereiche mgen validiert sein knnen insgesamt aber keinen
Anspruch auf Prognose ber den Testbereich hinaus halten (auch wenn
sie hufig so verwendet werden)
- Folie 66
- Statistische Methoden zur Ursachenaufklrung
- Folie 67
- Fourier - Analyse Quelle: ST Rao, LOOP workshop 2001
- Folie 68
- Receptor modelling Quelle: Karman et al., IUAPPA Source 1 x i1
i=1,n Source 2 x i2 i=1,n Source 3 x i3 i=1,n Receptor y i i=1,n 1
2 3
- Folie 69
- Atmosphrenmodelle und die Auenwelt
- Folie 70
- Drivers (sozio-konomisch)(technisch- physikalisch) (chemisch -
analytisch) (biologisch, kologisch) (politisch) State Pressure
Impact Response DPSIR Konzept (EEA)
- Folie 71
- Beispiele fr Atmosphrenmodelle EMEP - Modell: simuliert
Schadstofftransport ber Europa Urban Airshed Modell (etwa UAM-IV,
UAM-V d. U.S. EPA, CAMx, CALGRID) Global Circulation Model
- Folie 72
- Mehrphasenmodelle Critical Load modelling Coupled
ocean-atmosphere models Modellierung von Klimafolgen
- Folie 73
- Integrierte Modelle Rckbezug auf Fuabdruck einer Aktivitt:
GEMIS mit konomischer Bewertung: RAINS Integrated Assessment
Modelling
- Folie 74
- Problemorientierte Modellierung Wirkung Ursache Manahme
Verbesserung
- Folie 75
- Saurer Regen Quelle: Doerner, IFB, Uni Stuttgart
- Folie 76
- Lokale Immission Quelle: Minnesota Pollution Control
Agency
- Folie 77
- Eutrophierung Quelle: BBGes, Berlin
- Folie 78
- Ozon Quelle: U.S. EPA
- Folie 79
- Staub Quelle: Vermont Agency of Natural Resources
- Folie 80
- Klima Quelle: Milos Travel
- Folie 81
- Stratosphrenchemie Quelle: CNN / NASA
- Folie 82
- Lrm Quelle: Berufsgenossens chaften / DE
- Folie 83
- Modell: CBM-IV (1) Photostationres Gleichgewicht 1 NO2 = 1 NO 1
O 2 O = 1 O3 3 O3 NO = 1 NO2
- Folie 84
- 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
- Folie 85
- 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
- Folie 86
- 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
- Folie 87
- 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
- Folie 88
- 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
- Folie 89
- 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
- Folie 90
- 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
- Folie 91
- 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
- Folie 92
- 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 =
- Folie 93
- 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
- Folie 94
- Kompartiment - Modell ModelMaker (kommerzielle Software)
- Folie 95
- Modellintegration (1) Standardisierte Schnittstellen fr
Umweltmodelle aller Art Konvertierungen zwischen Datenformaten
nicht mehr erforderlich
- Folie 96
- Modellintegration (2) +Erhhte Vergleichbarkeit +Einfachere
Kopplung erlaubt Verknpfungen, die sonst unmglich bleiben
Unterschiedliche Input-Datenqualitten berinterpretation von
Ergebnissen