Umweltmesstechnik Kapitel 7 Luftqualitätsmodellierung

• beschreibt die Menge von X innerhalb einer Box, die einen ausgewählten atmosphärischen Bereich repräesentiert

• Transport wird als FLuss von X in die Box (Fin) und aus der Box heraus (Fout) behandelt

• Wenn die Box die globale Atmosphäre darstellt, gilt:

  • Fin=Fout=0

für eine atmosphärische Spezies X

• Produktions- und Verlustraten von X innerhalb der Box können Beiträge aus Emission E, chemischer Produktion P, chemischen Verlust L und Deposition D umfassen

• Begriffe Fin, E und P sind Quellen von X in der Box

• Die Begriffe Fout, L und D sind Senken von X in der Box

• Die Masse von X in der Box wird häufig als Inventar bezeichnet

• Die Box selbst wird oft als Reservoir bezeichnet

• Senken Fout, L und D sind häufig Prozesse ersterOrdnung

  • heißt, dass sie proportional zur Masse in der Box sind (“je mehr vorhanden ist, desto mehr kann verloren gehen”)

  • in diesem Fall ist die Lebensdauer unabhängig vom Inventar von X in der Box

• löst die räumliche Verteilung der Konzentration von X innerhalb der Box nicht auf

• häufige Annahme, dass Box gut durchmischt ist, um die Berechung von Quellen und Senken zu erleichtern

• ermöglicht es, ein wichtiges und allgemeines Konzept der atmosphärischen Chemie einzuführen: die Lebensdauer

• Die Lebensdauer t von X in der Box wird definiert als die durchschnittliche Zeit, die ein Molekül von X in der Box verbleibt, also das Verhältnis der Masse m(kg) von X in der Box zur Verlustrate Fout+L+D (kg/s)

• Lebensdauer oft auch VWZ

  • Lebensdauer: Verlust, wenn chemischer Prozess wie L erfolgt

  • VWZ: Verlust, wenn physikalischer Prozess wie Foutoder D

    
    

• Bestimmung der relativen Bedeutung verschiedener Senken relevant, die zum Gesamtabbau einer Spezies beitragen

  • Z.b.: wird Anteil f, der durch den Export aus der Box entfernt wird, wie folgt angegeben:

• für den Export (Tout= m/Fout), den chemischen Verlust (Tc= m/L) und die Deposition (TD= m/D)

• Senken wirken parallel, sodass

• gut durchmischte Box mit den Dimensionen Ix, Iy, Iz, …

  • … die von einem Wind mit der Geschwindigkeit U in der x-Richtung belüftet wird,

  • … in der px die mittlere Massenkonzentration von X in der Box darstellt,

  • … in der die Masse von X in der Box pxIxIyIz beträgt

  • … in der die Masse von X, die pro Zeiteinheit aus der Box herausströmt, pxUIyIz beträgt,

• ergibt sich für Tout

Two box

Three Box model

• beschreibt Zusammensetzung eines oder mehrerer Fluidelemente (Puff), die sich mit dem Luftsrom bewegen

• Fluidelement wird hier als ein Luftvolumen definiert, dessen Abmessungen hinreichend klein sind, sodass alle Punkte darin mit der derselben Geschwindigkeit vom Luftstrom transportiert werden, aber gleichzeitig groß genug, um ein statistisch repräsentatives Ensemble von Molekülen

• Letztere EInschränkung ist nicht besonders restriktiv, da 1 cm^3 Luft an der Erdoberfläche bereits ~ 10^19 Moleküle enthält

• Variante des Puff-Models

• verfolgt die chemische Entwicklung einer gut durchmischten Luftsäule, die sich vertikal von der Oberfläche bis zu einer bestimmten Mischhöhe h erstreckt und entlang der Oberfläche bewegt

• Massenaustausch mit der Luft oberhalb von h wird als vernachlässigbar angenommen oder durch eine Einschlussrate dargestellt