EMISSIONEN UND DEPOSITION

1

Emissionen

lat. emittere = aussenden

In der Atmosphärenchemie: Das Einbringen fester, flüssiger oder gasförmiger Materialien in die Atmosphäre durch mechanische oder chemische Prozesse.

Beispiele: • Verbrennung und Freisetzung von Gasen (z.B. CO2)

• Ausdampfen oder Ausgasen (Deponiegas)• Abrieb und Aufwirbelung (Straßenstaub)• Schwelbrand mit Rauchentwicklung

3

Grauzone:

• Staubaufwirbelung: Wie lange muss etwas in der Atmosphäre verweilen, um als „emittiert“ zu gelten?

• NOx Produktion durch Blitze: Gasentladung in der Atmosphäre – Umwandlung inerter in reaktive Spurengase

• Verdunstung von Wasserdampf: Wird nicht als Emission betrachtet

4

Re-Emission:

• Erneute Emission nach Ablagerung eines Stoffes an der Oberfläche – manchmal erst nach Jahren („persistent organic compounds“ = Biphenyle, ….)

• Relevant für biogeochemische Kreisläufe (z.B. Kohlenstoff-Freisetzung durch Waldbrände in Torfgebieten)

Bestimmung von Emissionen

• Bilanzierung (z.B. Menge des verkauften Kraftstoffs, Stöchiometrie CO2 Emissionen)

• Messung von Emissionsfaktoren, Bestimmung von “Aktivität” und Technologie

• Messung von Emissionsverhältnissen (Konzentrations-messungen im Abgas)

• Tunnelmessungen (mit Verkehrszählung)

• Eddy-Korrelationsmessungen

• Inverse Modellierung

Emissionsinventare

National Greenhouse Gas Inventories

8

Gesamt: 531 Tg/yr, davon 234 Tg/yr anthropogen35-39% der CH4 Emissionen sind natürlich

Zeitliche Entwicklung der Methanemissionen

9

Beispiel: Methan

10

Methanemissionen aus Feuchtgebieten (Modell)

Diffusionf(WTD, temp)

Ebullitionf(WTD)

Tillerf(ecosystem)

Soilsurface

M0

M1

M2

M3

run-on run-off

heat&waterflux

NPP

leaf litter

root litter

microbes

soil organic matter

f(litter quality, temp)

CO2 CH4

f(WTD)

1. Water Table Depth(WTD)

2. Production,Decomposition,Methanogenesis

3. Emission,Transport

Quelle: Potter, 1997

Methan-Emissionen in der Landwirtschaft

Quelle: T. Vellinga

soil

harvestablecrop

cattle

manure

input:food supplements(concentrates)

input:fertilizer

output:milk and meat

396 kg/ha

171 kg/ha

CH4

CH4 Emissionen in den Niederlanden

80% der Methan-emissionen stammen von Kühen

Exkurs: CO2 equivalent greenhouse gases

• 1 kg CO2 1 kg eq-CO2

• 1 kg CH4 21 kg eq-CO2

• 1 kg N2O 310 kg eq-CO2

„equivalent“ = „radiative forcing equivalent“

ÜBUNGEN

• Benutze die Definition der CO2-äquivalenten Emissionen, um die Treibhausgasemissionen holländischer Kuhfarmen abzuschätzen (kg eq-CO2/ha). 8213 km2 der Niederlande sind Weidefläche. Vergleich: CO2-Emissionen: 43300 kg/ha (Durchschnitt 2002).

• Holländische Farmen halten im Durchschnitt 61 Kühe auf 38 ha Land. Jede Kuh produziert pro Tag 20 l Milch; für 1 kg Gouda werden 10 l Milch benötigt. Berechne die Treibhausgasemissionen aus der Herstellung von 1 kg Gouda. Vergleiche mit CO2 Emissionen aus dem Straßenverkehr.

Optional: Vergleiche auch mit Treibhausgasemissionen aus dem Reisanbau. In Indien werden im Durchschnitt 1940 kg Reis pro ha geerntet, CH4 Emissionen sind im Mittel 21 kg/ha (Dünger wird in

dieser Rechnung vernachlässigt).

Gesamtzahlen: Holland hat 1.5 Mio. Kühe, Indien hat 44.78 Mio. ha Reisanbaufläche.

CategoryFuel Type

usedTotal

Two wheelers Gasoline 3233785

Auto Rickshaws CNG 52185

Passenger Vehicles

Gasoline 1873588

Passenger Vehicles

Diesel 207088

Passenger Vehicles

CNG 117787

Total Passenger Vehicles

2198463

Buses CNG 45907

Goods vehicles

Trucks/HCV Diesel 96203

LCVGasoline/CNG

104607

Total goods vehicles

200810

Megacity Emissionen

S. Kumar Sahu

Information:70 Slum Pockets (Approx) Slum pockets are distributed in 975 Clusters in Delhi

(10-15 clusters per slum)Around 384864 no. of Jhuggis in DelhiAverage 6000 Households per cluster

Data Generated:1856 slum houses survey in 63

slum pockets for fuel type, usage, ventilation etc. Ratio found to be

Fuel wood, Kerosene and LPG

S. Kumar Sahu

Wirtschaftsentwicklung und Emissionen

„China plans to increase about 50,000 kilometers of roads this year, of which new expressway will be 4,561 kilometers, new first class highway will be 1,963 kilometers, and new second class highway will be 8,279 kilometers.

Meanwhile, the total length of roads will exceed 1.4 million kilometers, of which expressway will exceed 16,000 kilometers, which ranked the third in the world.“

Germany 2006: 12360 km

People‘s daily China [2007]

GDP and industrial production in China 2000-2005

0%

100%

200%

300%

400%

GDP Energy use Steel Aluminum Other non-ferrousmetals

Cement

Co

mp

ared

to

20

00

2000 Statistics for 2005

Quelle: M. Amann, IIASA

GDP and industrial production in China 2000-2005-2030 (Chinese projection ERI)

0%

200%

400%

600%

800%

1000%

GDP Energy use Steel Aluminum Other non-ferrousmetals

Cement

Co

mp

ared

to

20

00

2000 Statistics for 2005 Projection for 2030

Quelle: M. Amann, IIASA

Technologische Entwicklung und Emissionen

1893 19301915

1985

1950

20052000 2020 (?)

Emissionen aus dem Transportsektor

23

Quelle: EEA Report 3/2006

NRW Emissionen

24LANUV Bericht 2007 – Kapitel 1. Luft, Lärm, Licht

Flugverkehr (NRW) – nur bodennah

25LANUV Bericht 2007 – Kapitel 1. Luft, Lärm, Licht

Anteile der Verkehrssysteme (NRW)

26

Technologie-Mix Automobile in Megacities

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

2-3 wheels Pass car Taxi Bus Truck

Quelle: M. Osses

Technologischer Stand Automobile 2006

Quelle: M. Osses

Asien holt auf: Clean Air Initiative Asia

Country 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 European Union E1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 E6

Bangladesha Euro 2

Bangladeshb Euro 1

Hong Kong, China Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Indiac Euro 1 Euro 2 Euro 3

Indiad E1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Indonesia Euro 2

Malaysia Euro 1 Euro 2 Euro 4

Nepal Euro 1

Pakistan

Philippines Euro 1 Euro 2 Euro 4

PRCa Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

PRCe Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Beijing only

Singaporea Euro 1 Euro 2

Singaporeb Euro 1 Euro 2 Euro 4

Sri Lanka Euro 1

Taipei,China US Tier 1 US Tier 2 for diesel g

Thailand Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Viet Nam Euro 2 Euro 4

Notes: Italics – under discussiona – gasolineb – dieselc – Entire countryd – Delhi, Chennai, Mumbai, Kolkata, Bangalore, Hydrabad, Agra, Surat, Pune, Kanpur, Ahmedabad, Sholapur, Lucknow; Other cities in India are in Euro 2 e – Beijing and Guangzhou (as of 01 September 2006) have adopted Euro 3 standards; Shanghai has requested the approval of the StateCouncil for implementation of Euro 3 f – Euro 4 for gasoline vehicles and California ULEV standards for diesel vehiclesg – Gasoline vehicles under consideration

Country 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 European Union E1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 E6

Bangladesha Euro 2

Bangladeshb Euro 1

Hong Kong, China Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Indiac Euro 1 Euro 2 Euro 3

Indiad E1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Indonesia Euro 2

Malaysia Euro 1 Euro 2 Euro 4

Nepal Euro 1

Pakistan

Philippines Euro 1 Euro 2 Euro 4

PRCa Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

PRCe Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Beijing only

Singaporea Euro 1 Euro 2

Singaporeb Euro 1 Euro 2 Euro 4

Sri Lanka Euro 1

Taipei,China US Tier 1 US Tier 2 for diesel g

Thailand Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4

Viet Nam Euro 2 Euro 4

Notes: Italics – under discussiona – gasolineb – dieselc – Entire countryd – Delhi, Chennai, Mumbai, Kolkata, Bangalore, Hydrabad, Agra, Surat, Pune, Kanpur, Ahmedabad, Sholapur, Lucknow; Other cities in India are in Euro 2 e – Beijing and Guangzhou (as of 01 September 2006) have adopted Euro 3 standards; Shanghai has requested the approval of the StateCouncil for implementation of Euro 3 f – Euro 4 for gasoline vehicles and California ULEV standards for diesel vehiclesg – Gasoline vehicles under consideration

Quelle: M. Amann

Die EURO Standards

Emissionen: oft gewagte Extrapolation!Beispiel: NMVOC Emissionen aus dem Schiffsverkehr:Einzige Veröffentlichung ist Cooper et al., 1996

Geographische Verteilung der Emissionen

Geographische Verteilung: Industriebetriebe

Quelle: http://www.eper.de

Nutzung hochauflösender Satellitendaten zur Bestimmung von Verkehrsemissionen

Quelle: Gerhardinger et al., 2005

IKONOS Satellit

Monitoring Emissions from Space

A. Richter, Uni Bremen

Satellite

Inventory

Recent emission trends over China

A. Richter, Uni Bremen

Biogene VOC Emissionen

37

Messungen von Isoprenflüssen weltweit

Guenther et al., 2006

Wildland fires („Biomass burning“)

Greece, August 2007

active fire detection

smoke plumes

Fire emissions

M : Mass of species X in month mEF : Emission factor (kg species/kg dry matter burnt)A : Burnt area (in m2) : Combustion efficiencyAFL : Available fuel load (kg dry matter)

k : loop over ecosystems/plant functional types

from J. Hoelzemann, PhD 2006

Exkurs: Vertikalverteilung von Emissionen –NOx aus BlitzenB. Ridley, NCAR

Detection of Lightning from Space

TROCKENDEPOSITION

42

Quelle: M. Köchy

Definition

"Dry deposition is the process by which atmospheric trace chemicals are transferred by air motions to the surface of the Earth." (in the absence of precipitation)

Wesely and Hicks, 2000.

44

Ca. 30% der SO2- und 40% der NOx Emissionen in Nordamerika werden auf dem nordamerikanischen Kontinent deponiert.

Spezies, für welche Trockendeposition relevant ist

45

Gruppe 1• Ozon• NO, NO2

• HNO3

• PAN• H2O2 & Peroxide

• NH3, NH4+

Gruppe 2• CH2O & Aldehyde

• N2O5

• SO2, SO42-

• NO3-

• CO• HONO• NO3Gasphase

Partikelphase

Massenfluss und Depositionsgeschwindigkeit

Controlling factors: atmospheric turbulence, chemical properties of species, and nature of the surface

CvF DDeposition mass flux:

vD: deposition velocityC: concentration of species at reference height (~10 m)

Größenordnung:vD = 1 cm s-1 (z.B. Ozon)vD = 2 cm s-1 (z.B. HNO3)

Verlustgeschwindigkeit

47

Abschätzung der "Lebensdauer" einer Substanz unter der Annahme von Trockendeposition als einzigem Verlustterm:

Dv

h

: Lebensdauer in sh : durchschnittliche Höhe der MischungsschichtvD: Depositionsgeschwindigkeit

Aufgabe: Berechne die Lebensdauer von Ozon (vD=1 cm s-1) bei einer Mischungsschichthöhe von 1000 m.

Das Widerstandsmodell

48

Ra : aerodynamischer Widerstand – turbulenter Massenfluss (gleich für Masse, Wärme und Impuls)

Rbi : quasi-laminarer (molekularer) Widerstand für

Transport durch bodennahe Grenzschicht – hängt von Diffusivität der Substanz ab

Rci : Depositionswiderstand (Aufnahme in der Pflanze, im

Boden oder im Wasser) – hängt zum Großteil von Löslichkeit der Substanz ab

Berechnung der Widerstände Ra, Rb und Rc

49

nach Tuovinen et al., 1998

zS

zI

turbulenter Austausch

quasi-laminarer Austausch

rt

rm

rs

50

SI

z

z

Ct zzzdzzKRI

,''1

zI : Höhe der bodennahen Grenzschicht ("canopy height")

zS : Höhe der Mischungsschicht

u* : "friction velocity"

C : dimensionslose Gradientenfunktion

CC

zuzK * : von Kármán Konstante (0.4)

Widerstand für turbulenten Austausch

Kc : turbulenter Austauschkoeffizient

51

Nun Berechnung des molekularen Widerstands rm …

Für z < zI Annahme konstanten Flusses:

.const

rzr

zcF

sIm

I

R

UI analog

52

Im zDaur *1

u* : "friction velocity"

Da : Massenaustausch-Koeffizient (Dalton-Zahl)

Molekularer Leitwert

00 TTuuStcQ zzpLH

00 qquuDaIQ zzLE

fühlbare Wärme

latente Wärme

St : Stanton-Zahl

53

111 IDIC zCzDaaB

B : "Sublayer Stanton number"

aC : Inverse der turbulenten Schmidt-Zahl für neutrale Bedingungen

CD : Luftwiderstandsbeiwert ("drag coefficient")

2

*

ID zu

uC

0

m

cc K

Ka

Mittels Definition der "Sublayer Stanton Number" kann eine von zI unabhängige Formulierung des molekularen Widerstands gefunden werden:

Baur cb *1

Dies ist das Rbi aus Folie 12

54

53.71 1/21/4*C ScReaB

Bestimmung von rb (im Wesentlichen also von B-1) ist nicht ganz eindeutig. Im Allgemeinen sagt man B hängt ab von der

Schmidt-Zahl

und der

Reynolds-Zahl

Beispiel (Brutsaert, 1975):

oder Wesely and Hicks, 1977:

Experimentell auch Werte B-1 > 20 gefunden

cDvSc v : kinematische Viskosität von LuftDc : molekulare Diffusivität des Gases i

vzuRe 0**

3/211 2 ChC DDBa

55

Oft benutzt wird die Parameterisierung von Wesely, 1989:

*

5 3/2

u

Scrb

56

1

*

IDCta zCaurr

Neudefinition des aerodynamischen Widerstands als:

Näherung durch Extrapolation des Windprofils in der Grenzschicht bis hinunter zu z0+d (z0 = aerodynamische Rauhigkeitslänge).

z

z

Ct

I

dzzKr ''1Integration von unter den Annahmen

m = c bei z = zI - d und m(z0/L) = 0 ergibt:

L

dz

z

dz

uazr c

ca

0*

ln1

mit

Dies ist das Ra aus Folie 12

57

nststs rrr

111

Fehlt noch rs …

Einfachstes Modell:

rst : stomatärer Widerstand (Aufnahme durch Pflanzen)

rnst: nicht-stomatärer Widerstand (Boden, Wasser, Eis, …)

rs hängt ab vom Material der Oberfläche, der Feuchte, pH Wert, und Löslichkeit und Reaktivität des Spurengases

Dies ist das Rci aus Folie 12

Beschreibung der Erdoberfläche im Modell

5 soil layers

Sea ice Bare soil

depth (~ 60 m)

SeaWet surface

Snow/ice

z (~ 30 m)

3.750 (~ 300 km)

z0

Soil moisture

Rstomatal ∫(PAR, soil moisture)

Aufbau eines Laubblattes

59http://de.wikipedia.org/wiki/Blatt_(Pflanze)

60

Generell: Beschreibung des Oberflächen-Widerstands als (weitere) Widerstandskette ("big leaf model")

rs =

cuticularresistance

rcut

Stomatapore res.

rp

Mesophyllicres.

rmes

Groundresistance

rcg

Waterresistance

rcw

fwater(1-fwater)

Depositionswiderstand als Funktion von u*

62aus Tuovinen et al., 1998

Depositionsgeschwindigkeit Ozon

63aus Tuovinen et al., 1998

Simulierte Trockendeposition von NOy

64

Vergleich der modellierten Jahressumme der trockenen Deposition von NOy von REM-Calgrid 2005 (links) und LOTOS-EUROS 2004 (rechts)

(dry 2004)

2005 Dry

Wet deposition

Cloud Waterchemical reactions

particlesin air

gaseous speciesin air

Rain, snowchemical reactions

Wet deposition

rain formation

below-cloudscavenging

below-cloudscavenging

reactions

evaporationevaporation

interception

evaporation evaporation

nucleation dissolution

after Seinfeld&Pandis, 1998

Datentabellen Trockendeposition

66

0C 15CLuft: Dichte () 1.292 1.225 kg m-3

Luft: kinematische Viskosität () 1.33e-5 1.46e-5 m2 s-1

"friction velocity" (u*) 0.1-1 m s-1

"roughness length" (z0) 0.0002-10 m Reynolds-Zahl (Re*) 100(?)-1e6 (turbulent bei >1000)Schmidt number (Sc oder ac

-1) : Sc = /D 0.7Luftwiderstandsbeiwert (CD) 0.1-1.8Dalton number (Da) ca. 0.02-0.1

Diffusionskoeffizienten (D) von Spurengasen in LuftO2 2.4e-5 m2 s-1

(bei 20C)H2O 2.82e-5 m2 s-1 (bei 15C)NH3 2.0e-5 m2 s-1

CO2 1.48e-5 m2 s-1 (bei 9C)CH4 1.96e-5 m2 s-1 (bei 9C)Benzene0.96e-5 m2 s-1 (bei 25C)Toluene 0.86e-5 m2 s-1 (bei 25C)(D ist in etwa umgekehrt proportional zum Druck)

Abhängigkeit Dalton number von Reynolds-Zahl

67aus Toya et al., 1990