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Aerosole aus der Nutztierhaltung

Volltext

Beschreibung

Die Eigenschaften von Aerosolen, die sich im Nahbereich von Quellen rasch verändern, werden mit einem neuartigen Ansatz verfolgt: Dreidimensionale Messungen mit einem abtastenden, hochauflösenden Lidar werden mit numerischen Simulationen optischer Aerosoleigenschaften mit einem hochauflösenden Mikrophysik-Chemie-Transport-Modell kombiniert.

Im Rahmen einer Feldmesskampagne, die in der Nähe eines Schweinemastbetriebs in Mettingen, Westfalen, vom 11.-21.9.2005 durchgeführt wurde, wurden Datensätze für die Demonstration des Ansatzes erhoben. Lidar-Beobachtungen wurden an acht Tagen sowie In-situ-Aerosolmessungen und Atmosphärensondierungen an sechs Tagen durchgeführt. Dabei wurde ein neues, mobiles, augensicheres und 3-dimensional abtastendes Lidar, das im Rahmen dieses Projekts entwickelt und aufgebaut wurde, erstmalig eingesetzt. Die im Experiment untersuchte Aerosolquelle war schwach, d.h. nicht mit bloßem Auge erkennbar; sie bewirkte eine abwindige Aerosol-Anzahlkonzentrationserhöhung von bis zu 5% in den unteren 50 m der Atmosphäre. Die Partikelemission wurde auf 100-500 g/h geschätzt.

Die Messdatenanalyse und die sich damit in Übereinstimmung befindliche Modellvorhersage lokalisierten die Fahne recht niedrig in einer Höhe von weniger als 50 m über dem Boden. Weil die Visualisierung der Lidar-Daten und die Auswertung der In-situ-Daten in Echtzeit vor Ort noch nicht möglich und die In-situ-Aerosolmessungen zudem auf den Boden beschränkt waren, war während der Messkampagne die Position der Fahne nur in der Horizontalen, nicht aber in der Vertikalen bekannt. So wurde an den meisten Messtagen der Elevationswinkel des Lidars höher eingestellt.

Am 20.9.05 konnte unseres Wissens erstmalig eine Abluftfahne aus einer landwirtschaftlichen Quelle mit einer horizontalen Abtastung räumlich und zeitlich vermessen werden sowie der Partikelrückstreukoeffizient der Aerosole bestimmt werden. Die hochaufgelösten Daten dieses Messfalls (0.33 s Mittelungszeit, 30 m Entfernungsauflösung) geben Aufschluss über den Transport der Aerosolemission durch den Wind und die Deformation der Fahne durch die Turbulenz. Die hohe Messauflösung ist wichtig, um Partikelemissionen in komplexem Gelände und bei zeitlich sich sehr schnell ändernden meteorologischen Bedingungen untersuchen zu können. Bei längerer Mittelungszeit erkennt man eine durch die Gaussverteilung bestimmte Struktur der Fahne. Weil von diesem Tag keine In-situ-Aerosolmessungen für die Modellinitialisierung zur Verfügung standen, war kein direkter Vergleich von Messung und Modellierung möglich. Stattdessen wurden Simulationen im Sinne einer unteren und oberen Abschätzung der zu erwartenden Signale durchgeführt. Diese Simulationsergebnisse zeigen, dass die Messergebnisse sowohl bezüglich Signalintensität als auch Geometrie der Fahne im zu erwartenden Bereich liegen.

Inzwischen wurde das Lidar weiterentwickelt. Es ist nun eine Echtzeitvisualisierung der Partikelrückstreusignale, also der Struktur des Aerosolfeldes, möglich, welches damit auch die Detektion von Aerosolquellen in Echtzeit erlaubt. Der Einbau von Rotations-Raman-Kanälen erlaubt nunmehr die direkte unabhängige Messung des Partikelextinktions- und ?rückstreukoeffizienten. Ferner ist die simultane Messung wichtiger atmosphärischer Variablen, z.B. der Temperatur, möglich. Diese Messeigenschaften des Lidars sind weltweit einzigartig.

Das im Projekt entwickelte Modell ist in der Lage, Aerosolverteilungen und ihre optischen Eigenschaften vorauszuberechnen. Eine Sensitivitätsanalyse zur Quantifizierung der Unsicherheit der Vorhersage optischer Aerosoleigenschaften in Folge der ungenauen Kenntnis von Zusammensetzung und Massengrößenverteilung von Hintergrund und emittierten Aerosol zeigt, dass der Partikel-Rückstreukoeffizient, gemittelt über mehrere Quadratkilometer auf +50/-70% angegeben werden kann. Diese Unsicherheit kann in zukünftigen Messexperimenten durch verbesserte In-situ- und Lidar-Messungen stark verringert werden. Damit kann 3 die Vorausberechnung von Lidar-Messsignalen die Ableitung experimenteller Ergebnisse verbessern und Fehlinterpretationen vermeiden.

Der hier verfolgte Ansatz hat unseres Erachtens großes Zukunftspotenzial. Er kann entscheidend dazu beitragen, die Kenntnisse der Emission von Aerosolpartikeln aus verschiedenen Quellen zu verbessern. Dies könnte in großskaligen Atmosphären-Modellen zur verbesserten Beschreibung der Aerosolquellen genutzt werden und ferner dazu dienen, Emissionsquellen hinsichtlich gesundheitsrelevanter Partikelemissionen einzuschätzen und damit Voraussetzungen für Minderungsmaßnahmen zu schaffen.

Metadaten

TitelAerosole aus der Nutztierhaltung 
Stand 2007 
Seitenzahl107 
Förderkennzeichen ZO3K23005 und ZO3K23007

 

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