Quellen, Prozesse und Senken atmosphärischer Aerosolpartikel

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1 Quellen, Prozesse und Senken atmosphärischer Aerosolpartikel 1

2 Emission Quellen von Aerosolen 1. Aerosole aus natürlichen Quellen 2. Aerosole aus anthropogenen Quellen 1. Natürliche Quellen: UBA-Messstation auf Sylt Waldbrände Vulkanausbrüche Seesalzaerosole (NaCI) Bodenerosionen (Dispersionsaerosole) 2

3 Quellen von Aerosolen 2. Anthropogene Quellen Einteilung in fünf Quellgruppen: Kraft- und Fernheizwerke Industrie Kleingewerbe Haushalte Kraftfahrzeugverkehr 3

4 Quellen von Aerosolen Unterteilung in mechanische Prozesse und Verbrennungsprozesse 1. Mechanische Prozesse Bautätigkeit, Landwirtschaft, Schuttverbringung, Aufwirbelung von Straßenstaub und Streugut Bodenerosionen durch den Wind Seesalzaerosol (NaCI) => Dispersionsaerosole (d p > 2 µm) 4

5 Quellen von Aerosolen 2. Verbrennungsprozesse Ascheemissionen (unbrennbare Mineralien der Kohle) Asche: d p = 5 bis 10 µm Rauchemissionen (kondensierte Kohlenwasserstoffe und Rußpartikel) Kondensationsaerosole (d p < 2 µm) 5

6 Ruß Ruß ist ein Produkt unvollständiger Verbrennung. =>Emissionen kommen überwiegend vom Kfz-Verkehr und vom Hausbrand. Bildung von Ruß Zunächst entstehen aus Pyrolyseprodukten (z.b. Azetylen) unter Wasserstoffabspaltung Rußpartikelkerne. Die Partikel wachsen durch Anlagerung weiterer C-Atome oder Koagulation von Primärpartikeln. Durch die große spezifische Oberfläche (> 1000 m2/g) lagern sich unverbrannte Kohlenwasserstoffe (z. B. PAH) an. 6

7 Vergleich Rußpartikel und Reifabrieb Reifenabrieb Rußagglomerate (aus Verbrennung) 7

8 Sekundäraerosolbildung 8

9 Sekundäraerosolbildung Die Bildung von Sekundäraerosolen erfolgt aus der Oxidation von SO 2 und NO x über OH*-Radikale. SO OH* HSO * 2 3 HSO * O SO HO * SO H O H SO H SO 2NH ( NH ) SO

10 Sekundäraerosolbildung NO OH* HNO 2 3 HNO NH NH NO Ergebnis: Aus gasförmigem SO 2 und NO 2 entstehen flüssige Säureaerosole, die sich mit gasförmigem Ammoniak (NH 3 ) zu Salzen verbinden. Diese Salze werden als Sekundäraerosole bezeichnet uns sind Teil des Feinstaubes 10

11 Staubzusammensetzung 11

12 Größenbereiche der Aerosole 12

13 Größenverteilung der Aerosole 13

14 3-modale Verteilung der Aerosole Oberfläche Partikelgröße 14

15 Größenverteilung der Aerosole 15

16 Größenverteilung der Aerosole 16

17 Größenverteilung der Aerosole 17

18 Größenverteilung der Aerosole Fine mode (dp < 2,5 μm) NH 4, SO 4, NO 3 (Bildung aus der Gasphase) "Organic Matter" (OM) "Elemental Carbon" (EC) Coarse mode (dp > 2,5 μm) Diespersionsaerosole Seesalz (abhängig von der Entfernung zum Meer) biogene organische Aerosole (Pollen, Sporen, ) 18

19 Aerosolpartikel Quelle: TU-Darmstadt, FG Umweltmineralogie 19

20 Transport und Verdünnung von Aerosolen 20

21 Prozesse in der Atmosphäre 21

22 Prozesse in der Atmosphäre 22

23 Transport und Verdünnung 23

24 Transport und Verdünnung Rezeptor Quelle 24

25 Immission von Aerosolen 25

26 Immission von Aerosolen Im Tagesverlauf führen unterschiedliche Emissions- und meteorologische Verhältnisse zu Änderungen der Immissionssituation. Im allgemeinen treten Maxima der überwiegend verkehrsbedingten Partikelemissionen zu Zeiten des Berufsverkehrs auf. 26

27 Immission von Aerosolen Partikelverteilungen an ein Straße in Berlin (Werktag) 27

28 Immission von Aerosolen Partikelverteilungen im Innenraum mit Zigarettenrauch (4 Züge) 28

29 Trend der PM10-Belastung in Berlin Quelle: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung 29

30 Trend der Ruß-Immissionsbelastung in Berlin Quelle: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung 30

31 Deposition von Aerosolen 31

32 Prozesse der Deposition 32

33 Die Deposition erfolgt prinzipiell nach vier verschiedenen physikalischen Prinzipien: Deposition Sedimentation infolge der einwirkenden Schwerkraft. Sorption von Substanz an der Erdoberfläche und einen dadurch ausgelösten, vertikal nach unten gerichteten Transportprozess. Sorption und/oder Impaktion von Substanz an fallende Hydrometeore (Niederschlag). Impaktion von Teilchen an Oberflächen aus einer strömenden Luftmasse heraus. 33

34 Trockene Deposition Dominierende Abscheideprozesse Sedimentation (dp 1 µm; dp = 10 µm => vs 1 cm /s) Diffusion (dp 0,1 µm) Impaktion (Abscheidung durch Massenträgheit, dp 0,5 µm) Interzeption (Abscheidung durch Direkteinfang) 34

35 Impaktion Impaktion 35

36 Sedimentation 36

37 Trockene Deposition Transporte während der trockenen Deposition Turbulenter Transport durch die atmosphärische Schicht bis an eine molekulare Grenzschicht an der Oberfläche. Molekularer Transport (nur für Moleküle) oder Brownscher Transport (nur für Partikel) die Grenzschicht an die Oberfläche. durch Aufnahme durch die Oberfläche 37

38 Nasse Deposition 1. Ausregnen (rain-out) 2. Auswaschen (wash-out) 1. rain-out Aerosole dienen als Kondensationskeime Wolkenbildung hygroskopische Effekte (Salzkristalle) Diffusion von Aerosolen in Wolkentropfen abgeschiedene Aerosole sind relativ klein 38

39 Nasse Deposition 2. wash-out Auswaschen der Aerosole durch Einfang Abscheidungsprinzip ist die Impaktion ausgewaschene Aerosole sind relativ groß 39

40 Nasse Deposition In-cloud scavenging Einbindung von Spurenstoffen während der Tropfenund Eisbildung (heterogene Nukleation) und durch Sorption. Sub-cloud scavenging Entfernen von Gasen und Partikeln unterhalb der Wolkenschicht durch fallenden Regentropfen. 40

41 Sub-cloud scavenging Entfernung von Gasen und Partikeln unterhalb der Wolkenschicht durch fallenden Regentropfen 41

42 Depositionsgeschwindigkeit Depositionsgeschwindigkeiten und Sedimentationsgeschwindigkeiten von Aerosolpartikeln Klasse dp vd vs [µm] [cm/s] [cm/s] 1 <2,5 0,001 0,00 2 2,5-10 0,01 0, ,05 0,04 4 >50 0,2 0,15 dp: Partikeldurchmesser vd: Trockendepositionsgeschwindigkeit vs: Sedimentationsgeschwindigkeit Nach TA Luft (2002) 42

43 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 43