Messung und Modellierung von VOC Emission von Grassland

Flüchtige organische Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC) werden durch eine Reihe anthropogener Aktivitäten (von Deponien und der Verbrennung fossiler Energieträger) und von Tieren emittiert, die Hauptquelle sind jedoch Pflanzen. Die wichtigsten biogenen VOC (exklusive Methan) sind: Isoprene, Mono- und Sesquiterpene, sowie Methylbutenol und andere Alkohole, Carbonyle und Organische Säuren. Die Emission von VOC hat großen Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre, so tragen VOC zum Beispiel zur Entstehung von troposphärischem Ozon bei, das selbst ein Treibhausgas ist und den Treibhauseffekt indirekt verstärkt indem es die Verweildauer und Konzentration anderer Treibhausgase, beispielsweise von Methan, beeinflusst. Trotz der wichtigen Rolle die VOC in der Atmosphärenchemie spielen, gibt es relativ wenige Untersuchungen in denen die Langzeitemission von einer größeren Anzahl von VOC auf Ökosystemebene untersucht worden sind. Schätzungen der globalen VOC-Emissionen sind daher äußerst unsicher. Das beantragte Projekt hat drei Zielsetzungen: Die erste Zielsetzung ist es zu quantifizieren welche VOC in welcher Menge von einer Mähwiese im Alpinen Raum über den Zeitraum einer Vegetationsperiode emittiert werden. Dabei wird von der Hypothese ausgegangen dass Mähwiesen, zusätzlich zu den schon bekannten großen Emissionen von Methanol, Acetaldehyd, Hexanalen und Acetonen nach der Mahd, auch während der restlichen Vegetationsperiode signifikante Mengen von Methanol, Ethanol, Acetaldehyd und Acetone abgeben. Dazu werden über einer Mähwiese in Tirol Feldmessungen der Flüsse von VOC, Kohlendioxid (CO2) und Energie über zwei Vegetationsperioden mittels der sog. eddy covariance Methode durchgeführt. Die zweite Zielsetzung ist es die Anwendbarkeit eines neuartigen PTR-MS-TOF (time-of-flight proton-transfer mass spectrometer) zur Messung von turbulenten VOC-Flüssen über Grassland zu testen. Dazu werden in einer kurzen Intensivmesskampagne ein konventionelles PTR-MS und ein PTR-TOF-MS vergleichend betrieben. Die dritte und letzte Zielsetzung ist es ein neuartiges VOC Emissionsmodel in ein bestehendes soil-vegetation-atmosphere-transfer (SVAT) Model einzubauen und es mit den oben beschriebenen VOC Flussmessungen zu validieren und zu testen. Das neue Modell wird dabei mittels Bayes`scher Kalibrierung gegen die gemessenen VOC-, CO2- und Energieflüsse parametrisiert und dann dazu verwendet um die die Emission von VOC steuernden Faktoren und deren Abhängigkeit von CO2 und Energieflüssen zu analysieren.

Landökosysteme stellen signifikante biogene Quellen für flüchtige organische Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC), welche anthropogene Quellen bei weitem übersteigen, dar. VOCs spielen eine Schlüsselrolle in der Atmosphärenchemie und Landökosysteme haben daher das Potential regional die Atmosphärenchemie und global das Klima zu beeinflussen. Das Projekt verfolgte drei Ziele: (1) Zu quantifizieren welche VOC in welcher Größenordnung von Gebirgsgraslandökosystemen während der Vegetationsperiode abgegeben bzw. aufgenommen werden, (2) die Tauglichkeit des neuen PTR-TOF Gerätes für die Messung turbulenter VOC-Flüsse über Grassland zu testen, und (3) ein prozess-orientiertes Model des VOC-Austausch zu parameterisieren und zu testen. VOC- Flussmessungen wurden während zweier Vegetationsperioden (2008 and 2009) über einem Grassland mit einem PTR-MS und der sog. virtual disjunct eddy covariance Methode durchgeführt. Es zeigte sich dass nur relativ wenige VOC über die ganze Vegetationsperiode ausgetauscht werden. Die quantitativ wichtigste Verbindung war Methanol, gefolgt von Acetaldehyd und Aceton. Das untersuchte Grassland war dabei eine Quelle für diese Verbindungen, mit der Ausnahme von Aceton, für das 2009 eine Nettoaufnahme festgestellt wurde. Während der Mahd und der Ausbringung von organischem Dünger veränderte sich die Zusammensetzung und die Größenordnung der VOC-Flüsse dramatisch. Nach einem Hagelsturm im Sommer 2009, der zu Verletzungen der Nadelbäume an den Berghängen und in der Folge zu starken Emissionen von Mono- und Sesquiterpenen von diesen und einem entsprechenden Anstieg der Umgebungskonzentrationen führte, wurde erstmals anhaltende Deposition dieser Verbindungen zu einem Landökosystem nachgewiesen. Das neue PTR-TOF Gerät wurde intensiven Tests unterzogen und mit dem PTR-MS querverglichen. Es konnte gezeigt werden dass Flüsse von beiden Geräten exzellent übereinstimmen. Der große Vorteil des neuen PTR-TOF liegt darin dass komplette Massenscans (bis m/z 315) mit einer deutlich höheren zeitlichen Auflösung durchgeführt werden können. Dies reduziert den zufälligen Fehler der eddy covariance Flussmessungen erheblich und erlaubt Flüsse von Verbindungen zu entdecken die bisher übersehen wurden. Erste Simulationsstudien zeigten dass der geplante prozess-orientierte Modellierungsansatz nicht besonders vielversprechend funktioniert, sondern im Gegensatz einfachere, empirische Modelle für die erhobenen Daten bessere Ergebnisse liefern. Die Ursachen dafür sind momentan unklar, es wird jedoch vermutet dass dies einerseits ein Skalenproblem zwischen Blattgaswechselstudien, auf Basis deren die meisten Modelle entwickelt wurden, und den durchgeführten Flussmessungen auf Ökosystemebene, die neben Flüssen von/zu Blättern auch noch den Boden beinhalten, darstellt und andererseits auf Unterschiede in den steuernden Umweltparametern zwischen Labor- und Feldstudien zurückzuführen ist.