Analyse von Aerosolen (Massen- und Grössenverteilungen im Bereich 0,38–17 Mikrometer) in der Irischen und Schottischen See durch einen optischen Teilchenzähler und atmosphärische Trajektorien- und Dispersionsmodelle

 

Physik | Technik

 

Timothy Bywater, 2002 | Widen, AG
Fabian Lachmann, 2001 | Rudolfstetten , AG

 

In dieser Arbeit analysieren wir die an Bord des Segelschiffes Gaia mittels eines optischen Teilchenzählers gemessenen Massen- und Grössenverteilungen von Aerosolen im Spektrum von 0,38 Mikrometern bis 17 Mikrometern. Wir kombinieren diese Messungen mit einer Reihe von Umweltvariablen und identifizieren mögliche Emissionsquellen anthropogener Aerosole. Dazu berechnen wir mithilfe des HYSPLIT Euler-Lagrange Modells und der Daten des Global Forecast Systems Rücktrajektorien und leiten aus diesen Potential Source Functions ab. Diese verifizieren wir anhand von Konzentrationssimulationen und Emissionsdaten der NAEI für die Gebiete Grossbritanniens. Wir zeigen die Korrelation zwischen erhöhten Werten der Potential Source Functions und der räumlichen Proximität zu Populationszentren. Des Weiteren verwenden wir die Resultate dreier verschiedener Publikationen, die die Produktion von Sea Spray Aerosolen als Funktion von Windgeschwindigkeit, Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Teilchenradius darstellen, um diese mit den Resultaten unserer Messungen zu vergleichen. Wir erkennen eine kleiner als erwartete Korrelation zwischen Temperatur, Windgeschwindigkeit und Aerosolkonzentration, was wir auf den dominanten Effekt terrestrischer Aerosolproduktion zurückführen.

Fragestellung

(I) Inwiefern wurden die Messungen durch Umwelteinflüsse wie Windgeschwindigkeit beeinflusst, und stimmen die Ergebnisse mit der Theorie überein? (II) Wie gross ist der Einfluss terrestrischer Aerosole auf dem Meer? (III) Inwieweit stimmen etablierte empirische Formulierungen für die Produktion von SSA mit unseren Messungen überein?

Methodik

Die Aerosolmessungen fanden an Bord des Segelschiffes Gaia statt. Sie fuhr von La Rochelle durch die Irische See über die Schottische See bis zu den Hebriden. An Bord der Gaia befand sich ein optischer Teilchenzähler. Jedoch war der Detektor eher klein und sene Messungen unpräzise. Die Messungen wurden an uns übermittelt, woraufhin wir diese auf eine Stunde mittelten und sie mit GPS-Daten und Wetterdaten zu einem Datensatz zusammenfügten. Für die Simulationen mit HYSPLIT wurden zwei meteorologische Datensätze verwendet. Erst wurden einfache Trajektorien mit beiden Datensätzen berechnet, anschliessend fand ein zweiter Simulationsdurchgang für die Dispersion statt. Aus den Resultaten der Trajektorien-Simulationen konnten PSCFs abgeleitet werden. Dabei werden Trajektorien mit Messwerten assoziiert. Dann wird auf einem Gitter ein Wert berechnet. Dadurch entsteht eine Karte möglicher Emissionsquellen. Für den Vergleich der SSA-Formulierungen mit den Messresultaten wurden diese mit den Wetterdaten numerisch integriert. Allerdings sind die Resultate Integrationen eines Flusses und können somit nicht direkt mit den gemessenen Konzentrationswerten verglichen werden. Dazu müsste auch die Entfernung von Aerosolen aus der Luft berücksichtigt werden.

Ergebnisse

Es zeigte sich eine starke Korrelation zwischen der Konzentration kleiner Aerosole und der relativen Luftfeuchtigkeit, was gut mit der Theorie übereinstimmt. Ferner war die Korrelation mit der Windgeschwindigkeit überraschend klein, was darauf hindeutet, dass der Einfluss von SSA gering war. Auch hatte die Temperatur fast keinen Einfluss. Jedoch stellten wir fest, dass die Konzentration mit der Entfernung zur Küste stark abnahm. Die Trajektorien- und Dispersionssimulationen zeigten, dass ein grosser Teil der gemessenen Luft aus Westen kam. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass lokale Effekte in solchen Berechnungen nur wenig zum Tragen kommen. Die aus den Trajektorien berechneten PSCFs zeigen jedoch auffällig hohe Werte nahe den Populationszentren, z. B. Edinburgh, Inverness sowie Paris, auf.

Diskussion

Aufgrund eines kleinen Datensatzes und eines ungenauen Detektors ist die statistische Signifikanz unserer Arbeit äusserst klein. Ferner wurde das Problem von Fluss versus Konzentration zu spät erkannt. Als Lösung müsste die «general dynamic equation» für Aerosole simuliert werden, allerdings ist dies äusserst kompliziert – nicht zuletzt deswegen, weil die räumliche Verteilung der Aerosole auch berücksichtigt werden muss.

Schlussfolgerungen

Die Schwankungen der gemessenen Konzentrationen sind zu gross, um allein durch lokale Effekte wie SSA Aerosole erklärt zu werden. Aus den Resultaten der Simulationen lässt sich schliessen, dass anthropogene Aerosolquellen auf dem Festland auch noch mehrere Kilometer von der Küste entfernt einen massgebenden Einfluss auf die Aerosolkonzentration im Messspektrum haben und der Einfluss von SSA eher klein ist.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Stefan Horender

Die Arbeit beschreibt Messungen und Simulationen von Aerosolkonzentrationen in der Irischen und Schottischen See. Ziel war es, die Herkunft der gemessenen Aerosole durch die Simulationen zu charakterisieren. Die Ziele konnten grossteils erreicht werden, was für diese «Jugend forscht» Arbeit eine ausserordentliche Leistung ist, da sehr komplexe Messtechniken und Simulationen eingesetzt und Zusammenhänge betrachtet wurden. Besonders zu würdigen ist der fundierte theoretische Teil der Arbeit, der mathematisch weit über schulische Inhalte hinaus geht.

Prädikat:

gut

 

 

 

Kantonsschule Wohlen
Lehrer: Adrien Cornaz