Atmosphärenchemie und Modellierung Wilfried Winiwarter
Transcript
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)
Folie 4
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.
Folie 7
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
Folie 12
Modellbau Problemformulierung Annahmen ber das System
Darstellung der [mathematischen] Verbindungen im System
[Programmierung] Validierung
Folie 13
z.B. Kohlenstoffkreislauf Quelle: Austrian Carbon Balance Model
(ACBM)
Folie 14
EXKURS Modellbau in der Verfahrenstechnik: Zur Planung und
Darstellung der Zusammenstellung von Anlagenteilen Als bergang vom
Labormastab zur Pilotanlage (=Technikum). Upscaling erforderlich!
Strmungskanle
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 !
Folie 24
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
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
Folie 30
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
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
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
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
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