Qualitative und quantitative Analyse einer Episode erhöhter troposphärischer Spurengassäulen über dem afrikanischen Kontinent im September 1997

Berichte aus dem Institut für Umweltphysik, Bd. 37

Julian Meyer-Arnek

ISBN 978-3-8325-1966-7
344 Seiten, Erscheinungsjahr: 2008
Preis: 41.50 €

Während des Septembers 1997 wurden aus Messungen des Instrumentes GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) massiv erhöhte troposphärische Spurengassäulen von Ozon (O₃), Stickstoffdioxid (NO₂) und Formaldehyd (HCHO) über dem afrikanischen Kontinent abgeleitet.

Ziel der Arbeit ist die qualitative und quantitative Zuordnung dieser Spurengaserhöhungen zu definierten Quellprozessen. Als Quellen von Luftschadstoffen kommen im betreffenden Zeitraum Biomassenverbrennung (BMV), biogene Emission (BE) von hochreaktiven organischen Verbindungen sowie Gewitteraktivität infrage. BMV wurde während des Untersuchungszeitraumes im südöstlichen zentralen Afrika von satellitenbasierten Instrumenten beobachtet. BE findet vor allem in Gebieten dichter Vegetation (Urwälder, bewaldete Savannen) im äquatorialen Afrika statt. Die Gewitterintensität weist ihr globales Maximum ebenfalls im äquatorialen Afrika auf. Anthropogene Verursacher können nach einer Analyse der Emissionskataster weitgehend ausgeschlossen werden.

In einem ersten Schritt wird der Transport der Luftmassen ausgehend von den potentiellen Emittenten mittels einer Trajektorienanalyse qualitativ diskutiert. Bei Berücksichtigung einiger Annahmen, die aus der Kenntnis der Chemie in der Troposphäre resultieren, ergibt sich im Allgemeinen eine sehr gute Übereinstimmung der räumlichen Verteilungen der betrachteten Spurengase.

Diskrepanzen treten vor allem beim Transport in der oberen Troposphäre auf. Dies manifestiert sich vor allem bei der Betrachtung von Substanzen, die in dieser Höhe langlebig sind. Gegenüber der GOME-Analyse verläuft der modellierte ostwärts gerichtete Transport von Luftmassen die durch BMV beeinflusst sind etwa 10 Grad zu weit südlich. Dies ist wahrscheinlich auf fehlerhafte Meteorologiefelder des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen (EZMW) in der oberen Troposphäre zurückzuführen.

Um die von den einzelnen Quellprozessen generierten Spurengasmengen quantitativ zu bewerten, wird die >Vorwärtsmethode< angewandt. Dabei wird die Transportanalyse mit einer Analyse der in den Luftpaketen ablaufenden Chemie verknüpft.

Hierzu wird das Chemiemodell BRAPHO (Bremen’s Atmospheric PHOtochemical model), das die in einem geschlossenen Luftpaket ablaufenden chemischen Reaktionen einer großen Zahl von Substanzen beschreibt, für die Analyse der troposphärischen Chemie weiterentwickelt und auf einer großen Anzahl von Trajektorien angewandt. Dieses Modell beschreibt somit sowohl den Transport als auch die in den betrachteten Luftmassen ablaufende Chemie.

Die resultierenden kombinierten troposphärischen Ozon-, NO₂- und HCHO-Säulen entsprechen sowohl bezüglich ihrer räumlichen Verteilung als auch ihres Wertebereiches denen, die sich aus der GOME-Analyse ergeben. Die kombinierten Säulen beinhalten alle in dieser Arbeit berücksichtigen Emissionsprozesse.

Die Vorwärtsmethode ist geeignet, die Auswirkung einzelner Emissionsprozesse isoliert von weiteren atmosphärischen Vorgängen und damit frei von Wechselwirkungen zu studieren.