Projekt Traceflux

Spurengas-Flüsse über komplexem Gelände

   

 

Projektaufgabe:

Seit 1996 werden an der Ankerstation Tharandt im Rahmen von EUROFLUX und CARBOEUROFLUX kontinuierlich Fluss- und Konzentrationsmessungen (CO2, H2O) durchgeführt. Um solche Messungen räumlich interpretieren und die Datenqualität richtig einschätzen zu können, ist es in einem nicht homogenen Umfeld wichtig, die Quellfläche der Spurengase zu kennen. Die Lage und Ausdehnung der Quellfläche ist abhängig von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Messhöhe, Rauhigkeit und der atmosphärischen Schichtung.

Sie kann im wesentlichen mittels drei verschiedener Methoden modelliert werden:  

• durch Berechnung der analytischen Lösungen der Diffusionsgleichung
• mittels stochastischen und
• numerischen Dispersionsmodellen.

Die Modelle müssen jedoch - unabhängig davon welcher Modelltyp verwendet wird – validiert werden. Validierungsdaten für Dispersion in bewaldetem Gebiet berechnen, gibt es jedoch nur wenige.

Projektmitarbeiter:

Koordinator TU Dresden
Prof. Dr. Ch. Bernhofer

Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen
Dr. Mirela Goanta und Dr. Eva van Gorsel

Experiment:

Um Validierungsdaten für ein Quellflächenmodell bereitzustellen, wurden im August/September 2003 Tracerexperimente im Tharandter Wald durchgeführt.
Der verwendete Tracer ist SF6 und wurde von einer Punktquelle 2 m über Grund freigesetzt.

Release Point
Gasfreisetzung mit Sonic,
Flow controller und Waage

Die Luftproben wurden für jedes Experiment während 90 min aus dem Kronenbereich (20 m) mittels Mikropumpe angesaugt, und über Ventilschaltungen aufeinanderfolgend in drei Saran-Beutel geleitet.

Zusätzlich wurde ein Vertikalprofil von Tracerkonzentrationen gemessen. Nach den Tracerexperimenten wurden die Proben direkt zur chemischen Analyse ins Labor gebracht. Der Nachweis von SF6 in den Luftproben ist mit einem Gaschromatographen (GC) mit Elektronen-Einfangdetektor (ECD) erfolgt. Der ECD ist geeignet zum Nachweis kleinster Mengen an halogen- und schwefelhaltigen Verbindungen. Eine genügende Auflösung des Peaks ist erreicht, wenn dieser deutlich von Signalen anderer Substanzen getrennt ist.

Gas-Sammler

Die Auswertung und Chromatogrammbearbeitung wurde über einen Integrator gemacht. Die Peakfläche ist der Konzentration der Substanz proportional. Ein Problem bei GC / ECD Messungen ist der oft sehr kleine lineare Bereich der Kalibrationskurve. Für den GC wurde deshalb eine Gas Pro-Säule benutzt, welche auf Halogenverbindungen sehr empfindlich ist und bei der die Eingabe der Proben durch Einspritzen unterschiedlicher Volumina erfolgen kann. Dadurch kann der Messbereich erheblich vergrössert werden. Die Kurve ist im Bereich von 25 ppt bis 1ppm linear, die Auflösungsgrenze liegt bei 25 ppt. Da die Auflösungsgrenze über der zu erwartenden Hintergrundkonzentration liegt,  wurden die Hintergrundkonzentrationsmessungen vom Umweltbundesamt Schauinsland durchgeführt. Die Hintergrundkonzentration stieg während der Experimente von 5.7 auf 8.2 ppt an.
 

(Beispiel eines Chromatogramms. Die Retentionszeit von SF6romatogramm beträgt 3.1 min und der Peak ist gut getrennt von denjenigen anderer Substanzen.=


Neben den Konzentrationsmessungen selbst werden für die Dispersionsmodelle möglichst gut aufgelöste Daten über die atmosphärischen Bedingungen benötigt. Fesselballonaufstiege die während der Experimente durchgeführt wurden und kontinuierliche Sodarmessungen liefern Informationen bis in 1000 m respektive 500 m ü.G.. Die Turbulenzbedingungen wurden beim Gasfreisetzungspunkt mit einem Ultraschallanemometer (Sonic) gemessen. An der Ankerstation wurde ein Vertikalprofil der turbulenten Grössen aufgezeichnet. Dadurch, dass über die Periode der Tracerexperimente hinaus das Advektionsexperiment VERTIKO-MORE II stattfand, stehen Turbulenzdaten von 3 weiteren Masten mit je 2 Sonics (2m / 30 m)  zur Verfügung.