Umweltmeteorologie: Schadstoffe in der Atmosphäre

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1 Lange Nacht der Forschung, 27. April 2012 Dr. August Kaiser Umweltmeteorologie: Schadstoffe in der Atmosphäre

2 Folie 2 Überblick Meteorologie = Physik der Atmosphäre Dazu gehören auch Luftschadstoffe Was passiert mit Schadstoffen in der Atmosphäre? Kann man die Schadstoffbelastung berechnen? Warum ist das wichtig? Tätigkeitsfelder der Fachabteilung Umwelt

3 Wie gelangen Luftschadstoffe in die Atmosphäre? Emission Durch menschliche Aktivitäten: Industrie, Kraftwerke, Verkehr, Heizung,... Mittelmeer, 27. Mai 2008: Saharastaub Island, 22. Mai 2011: Vulkan Grimsvötn Natürliche Quellen: Staubstürme, Waldbrände, Vulkanausbrüche,... Portugal, 3. August 2003: Waldbrände

4 Folie 4 Was passiert mit Schadstoffen in der Atmosphäre? Immission a) Transport mit dem Wind Der Wind kann sich räumlich oder mit der Höhe stark ändern Bei zu niedrigen Kaminen kann die Abgasfahne zum Boden gedrückt werden. Schornsteine müssen hoch genug sein, um eine freie Ausbreitung der Abgasfahne zu gewährleisten

5 Folie 5 Was passiert mit Schadstoffen in der Atmosphäre? Immission b) Verteilung auf ein größeres Luftvolumen Starker vertikaler Luftaustausch Temperatur nimmt mit der Höhe um 1 C/100 m oder mehr ab Die Schadstoffkonzentration nimmt mit der Entfernung rasch ab Verminderter vertikaler Luftaustausch Temperatur nimmt mit der Höhe um weniger als 1 C/100 m ab oder nimmt mit der Höhe zu ( Inversion ) Die Schadstoffkonzentration nimmt mit der Entfernung nur langsam ab

6 Folie 6 Zusammenhang vertikaler Luftaustausch vertikale Temperaturänderung Kaffeekanne mit kaltem Wasser und Stanniolschnipseln Herdplatte ausgeschaltet die Stanniolschnipsel liegen am Boden der Kanne

7 Folie 7 Zusammenhang vertikaler Luftaustausch vertikale Temperaturänderung Kaffeekanne mit kaltem Wasser und Stanniolschnipseln Herdplatte eingeschaltet das Wasser wird von unten her erwärmt warmes Wasser steigt von unten auf, kaltes Wasser sinkt ab

8 Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration vom vertikalen Luftaustausch Immissionsmessung in Kittsee/Burgenland April 2006 Mai 2007 NO2 und SO2 in Abhängigkeit von der vertikalen Temperaturänderung (Kittsee/Burgenland) Stickstoffdioxid (NO2): + bei vermindertem Luftaustausch ca. 5,5 mal so hoch wie bei gutem Luftaustausch bodennahe Quelle Verkehr Großraum Bratislava µg/m SO2 10 NO ,5-1,5-0,9-0,7-0,5-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,5 2,5 4 guter Schwefeldioxid (SO2): + bei gutem Luftaustausch ca. 2,5 mal so hoch wie bei vermindertem Luftaustausch Freisetzung in größerer Höhe Raffinerie verminderter Temperaturgradient ( C/100 m) vertikaler Luftaustausch

9 Folie 9 Messung der Vertikalstruktur der Atmosphäre Fesselballon: Vertikale TemperaturWind- und Ozonprofile Spezielle Windmessgeräte: Messung kleinster Schwankungen Sodar-RASS: (Sound Detection and Ranging Radio Acoustic Sounding System) vertikale Temperatur- und Windprofile Temperatur Ozon

10 Folie 10 Messung der Vertikalstruktur der Atmosphäre Ceilometer: Misst die vertikale Aerosolverteilung (kleine Staubteilchen) und Wolkentröpfchen Die vertikale Aerosolverteilung ist das Ergebnis des vertikalen Luftaustauschs Vertikale Aerosolverteilung (Boden bis 4 km) Grün: Aerosolkonzentration hoch Hellblau, blau: Konzentration niedrig Feinstaubkonzentration Hohe Werte, solange Luftaustausch gering Aktuelle Ceilometer-Messwerte, Ultraschallanemometer: Station 17

11 Folie 11 Was passiert mit Schadstoffen in der Atmosphäre? Transport mit dem Wind + freie, ungestörte Ausbreitung + Beeinflussung durch Hindernisse (Gebäude) Verteilung auf ein größeres Luftvolumen Chemische Umwandlungen trockene/nasse Ablagerung (Deposition) Die Wichtigkeit dieser Prozesse hängt von der jeweiligen Fragestellung ab!

12 Folie 12 Wann ist die Schadstoffbelastung der Luft hoch? Folgende Faktoren führen im Allgemeinen zu einer hohen Schadstoffbelastung Hohe Emissionen Verminderter vertikaler Luftaustausch + Schichten mit Temperaturzunahme (Inversionen) wirken wie ein Deckel + Ausnahme: Nahbereich hoher Schornsteine Schwacher Wind Antransport belasteter Luftmassen aus dem Kontinent (Feinstaub, Schwefeldioxid) Ausnahme: Ozon + Bildung durch Sonnenstrahlung aus Vorläufersubstanzen windschwache Hochdrucklagen im Sommer

13 Folie 13 Wann ist die Schadstoffbelastung der Luft gering? Folgende Faktoren führen im Allgemeinen zu einer niedrigen Schadstoffbelastung Niedrige Emissionen Starker vertikaler Luftaustausch + Ausnahme: Nahbereich hoher Schornsteine Starker Wind Niederschlag Antransport atlantischer Luftmassen (Feinstaub, Schwefeldioxid) Ausnahme: Ozon + Bildung durch Sonnenstrahlung aus Vorläufersubstanzen Sommer: Schlechtwetter; Winter

14 Folie 14 Kann man die Schadstoffbelastung berechnen? Versuch Galton Brett (Sir Francis Galton, ) Durch die Öffnung werden Kugeln fallen gelassen Die Kugeln repräsentieren eine bestimmte Masse eines Luftschadstoffs Die Schwerkraft übernimmt die Rolle des Windes, die Kugeln fallen nach unten Die Holzscheiben übernehmen die Rolle der Luftwirbel und lenken die Kugeln ab

15 Folie 15 Kann man die Schadstoffbelastung berechnen? Ergebnis ist eine Gauß-Normalverteilung Unter bestimmten vereinfachenden Bedingungen ist die Gaußverteilung eine Lösung der Gleichung, die die Konzentrationsverteilung in einer Abgasfahne beschreibt + die Turbulenzelemente (Wirbel in der Luftströmung) sind homogen + die Windrichtung ändert sich nicht

16 Folie 16 Kann man die Schadstoffbelastung berechnen? Es gibt verschiedene Arten von Ausbreitungsmodellen Gaußmodelle Lagrange Partikeldiffusionsmodelle Alle Modelle beinhalten spezifische vereinfachende Annahmen! Eulermodelle

17 Folie 17 Warum ist die Berechnung der Schadstoffbelastung wichtig? Die gemessene Schadstoffbelastung enthält keine Information, woher die Schadstoffe kommen + Um Maßnahmen zu setzen, muss man die Verursacher kennen! Planung künftiger Verursacher + Berechnung der Auswirkungen auf die Luftqualität erforderlich! Vorsorge und Beratung bei Störfällen, Unfällen und Naturereignissen + Zusammenarbeit mit Feuerwehr und (lokalen) Behörden Luftqualitätsvorhersagen + Nutzer: Behörden (Information der Öffentlichkeit, Maßnahmen) + Öffentlichkeit

18 Tätigkeiten der FA Umwelt: Immissionsgutachten Y [km] X [km] Schadstoffbelastung in der Umgebung eines Großemittenten Schadstoffbelastung und Strömungsverhältnisse an einer Straßenkreuzung Geruchsausbreitung im Umfeld einer Deponie (Modell : LASAT) (Modell : MISKAM) (Modell : AODM) 3.0

19 Tätigkeiten der FA Umwelt: Beratung des staatl. Krisenmanagements im Falle von nuklearen Störfällen Beispiel: Annahme eines Unfalls im AKW Temelin Trajektorien (Luftströmungen) Die vom AKW Temelin in unterschiedlichen Höhen ausgehenden Luftströmungen überstreichen verschiedene Gebiete Europas (Modell: FLEXTRA) Modelliertes Depositionsfeld nasse und trockene Deposition von Cs-137 innerhalb von 48 Stunden (Modell: FLEXPART) Vortrag Kaiser, 20:00, Saal A

20 Folie 20 Tätigkeiten der FA Umwelt: Beratung des staatl. Krisenmanagements Ausbreitung der Abgasfahne aus Fukushima + I-131, Emission grob abgeschätzt , 12: , 12: , 12:00 Vortrag Wotawa, 18:30, Saal A

21 Tätigkeiten der FA Umwelt: Unterstützung der österreichischen Einsatzkräfte Szenarienrechnungen für Krisenfallübungen mit unfallbedingter Freisetzung toxischer Gase + Beispiel: Annahme eines Formalinaustritts im Bereich eines Chemieparks Formalintank 5m/s 255 8/8 1std-Mittelwert Meter Meter

22 Analyse der Herkunft von Luftschadstoffen - großräumig z.b. zur Unterstützung der Behörden bei Maßnahmen zur Vermeidung von Grenzwertüberschreitungen NOx: lokale/regionale Quellen SO2: Ferntransport PM10: Ferntransport, regionale Quellen Luftströmungen, die mit hoher Schadstoffbelastung (rot) oder mit niedriger Schadstoffbelastung (blau) in Österreich verbunden sind

23 Folie 23 Analyse der Herkunft von Luftschadstoffen - kleinräumig SO2-Grenzwertüberschreitung in Kittsee/Burgenland Kleinräumige Windfelder (Modell INCA) und berechnete SO2-Konzentration

24 Hat sich die Schadstoffbelastung der Atmosphäre geändert? CO2 (ppm) Kohlendioxid (CO2) und Teilchenzahl (CPC) Messungen am Hohen Sonnblick (3.105 m) gemeinsam mit dem Umweltbundesamt CO2 (ppm) CPC (1/m3) zur Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre + im Rahmen des Global Atmosphere Watch Programms der World Meteorological Organization O3 (ppb) CO (ppb) Ozon (O3) O3 (ppb) Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NO und NOy) 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 CO (ppb) NO (ppb) NOy (ppb) Zunahme: Kohlendioxid (CO2) und Teilchenzahl Ozon (O3): Zunahme bis ca. 2003, danach Abnahme Abnahme oder unverändert: Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NO und NOy)

25 Folie 25 Schadstoffe in der Atmosphäre Danke für Ihre Aufmerksamkeit