Inverse Modellierung atmosphärischer Spurenbestandteile mit Lagrangeschen Modellen im europäischen Scale

Luftgüte-Messnetze wie das europaweite EMEP-Netz wurden unter anderem errichtet, um die Erfolge von Emissionsminderungen verfolgen zu können. Bisher war das nur begrenzt möglich, da zwischen Emission und Immission die von der Witterung abhängige atmosphärische Ausbreitung steht. Das Projekt "Inverse Modellierung atmosphärischer Spurenbestandteile" beinhaltet nun die Entwicklung und Anwendung von Methoden, mit denen aus der Fülle der vorhandenen Lufgüte-Messdaten mit Hilfe von Ausbreitungsmodellen Informationen über die Quellen der entsprechenden Luftbeimengungen abgeleitet werden können. Dazu werden Quell-Rezeptor- Beziehungen (wieviel trägt jedes Quellgebiet zur Immission an einer Meßstelle während eines Messintervalls bei?) mit Hilfe von numerischen Ausbreitungsmodellen abgeleitet. Die Stärke der Emissionen in jedem Quellgebiet wird dann so optimiert, daß die berechneten Immissionen möglichst gut den beobachteten entsprechen. Im vorliegenden Projekt, welches sich als erste Stufe auf lineare Beziehungen beschränkt, geschieht das durch die Lösung eines linearen Gleichungssystems. Um eine sinnvolle Lösung dieses in der Regel schlecht konditionierten Problems sicherzustellen, müssen zusätzliche Bedingungen eingebaut werden (Regularisierung). Die Methodik soll auf das kürzlich durchgeführte Europäische Tracer-Experiment (ETEX) und auf die Jod- und Cäsiumemissionen von Tschernobyl sowie auf die Schwefeldioxidemissionen in Europa angewendet werden. Bei letzeren geht es sowohl um die geografische als auch um die jahreszeitliche Verteilung der Emissionen. Zudem sollen die Veränderungen etwa zwischen den 80er und den 90er Jahren erfaßt werden. Alle Ergebnisse werden mit konventionellen Emissionskatastern verglichen, deren Erstellung mit verschiedenen methodischen und praktischen Problemen verbunden ist und die daher oft noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen Schwermetalle dar, über deren Emissionen noch weniger bekannt ist.

Spurenbestandteilen der Atmosphäre (zum Beispiel Kohlenmonoxid, Schwefelverbindungen, Aerosolpartikel oder radioaktive Substanzen) werden an vielen Orten, in regionalen, europäischen und globalen Messnetzen gemessen. Sie können dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf die möglichen Quellen dieser Stoffe in der Herkunftsregion der Luftmassen zu ziehen, die während der Messung vorbeigezogen ist. Dazu ist es notwendig, die ,,Geschichte`` dieser Luftmassen zu rekonstruieren. Eine Methode wurde entwickelt, um diese Rekonstruktion und die Quantifizierung des Einflusses, den eine Quelle zu einer gegebenen Zeit an einem gegebenen Ort auf eine bestimmte Messung haben kann, mit einem sogenannten Partikel-Diffusionsmodell zu bewerkstelligen (Ermittlung der Quell-Rezeptor-Beziehung). Wenn eine genügende Anzahl von Messungen vorliegt, kann aus diesen Daten - zusammen mit den Quell-Rezeptor-Beziehungen - auf die Quellen zurückgeschlossen werden. Auch dafür wurde eine Methode entwickelt und mit Hilfe eines Tracerexperiments getestet, bei dem künstlich eine Substanz im Westen Frankreichs freigesetzt und über Europa verteilt gemessen worden war. Die Ergebnisse sind in das im Aufbau befindliche Überwachungssystem für Nuklearexplosionen der Organisation zur Überwachung des Umfassenden Atomteststopp-Vertrages (CTBTO) eingeflossen. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass es notwendig sein kann, aus Luftkonzentrationsmessungen den Ort der Quelle der Beimengung errechnen zu können.