Uni-Bayreuth

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Doktorarbeit

Turbulent exchange of ozone and nitrogen oxides between an Amazonian rain forest and the atmosphere

Udo Rummel (11/2005-11/2005)

Betreuer: Thomas Foken

Betreuer im Max-Planck-Institut für Chemie: Prof. Dr. F. X. Meixner

Der Amazonische Regenwald wird zunehmend durch Abholzung und Brandrodung reduziert. Die damit verbundene Landnutzungsänderung hin zu weide- und landwirtschaftlich genutzten Flächen, verändert auch nachhaltig den atmosphärischen Eintrag und die Deposition troposphärenchemisch relevanter Substanzen wie Ozon (O3) und Stickoxiden (NOx). Zur Bewertung der Auswirkungen von Landnutzungsänderung auf atmosphärenchemische Prozesse ist eine möglichst genaue Kenntnis des Austausches dieser Spurengase zwischen dem primären Regenwaldsystem und der Atmosphäre notwendig. Bisher gibt es kaum Messungen zum Austauschverhalten tropischer Regenwald-ökosysteme bezüglich O3 und NOx - weder auf Bestands- noch auf Blattniveau. Im Rahmen des LBA-EUSTACH Projektes wurden 1999, während der Regen- und der Trockenzeit im Südwesten Amazoniens, im Staat Rondônia, Feldexperimente zur Bestimmung des Austausches von Ozon und Stickoxiden zwischen einem tropischen Regenwaldökosystem und der Atmosphäre durchgeführt.

Die Ozondeposition wurde durch Eddy-Kovarianzmessungen über dem Bestand bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen, die am Ende der regionalen Regenzeit stattfanden, bestätigen die einzigen, zuvor über dem Amazonischen Regenwald durchgeführten, direkten Ozonflussmessungen. Die mittleren Tagesmaxima des Ozonflusses und der Depositionsgeschwindigkeit von -11.0 nmol m-2 s-1 bzw. 2.3 cm s-1 zeigen, dass der Wald während dieser Periode eine sehr effektive Ozonsenke darstellt. In der Endphase der Trockenzeit, unter Bedingungen mit hohem atmosphärischen Luftfeuchtedefizit, war die Ozonaufnahme durch den Waldbestand während des Tages drastisch reduziert. Als Folge der verringerten Aufnahmefähigkeit trat während des Tages eine beachtliche Ozonspeicherung innerhalb des Bestandes auf, die während der ersten Nachthälfte durch nicht-stomatäre Deposition und chemische Prozesse wieder abgebaut wurde.

Parallel wurde die O3 Deposition über einer 22 Jahre zuvor gerodeten Weidenfläche bestimmt. Die Messungen dort ergaben eine, im Vergleich zum Regenwald um ~35% bzw. ~25% geringere Depositionsgeschwindigkeit am Ende der Regen- bzw. Trockenzeit. Da Viehweiden im Staat Rondônia den größten Anteil der genutzten Rodungsflächen ausmachen, repräsentieren diese Verhältnisse wahrscheinlich in guter Näherung den Effekt der Abholzung auf die regionale Oberflächensenke von Ozon. Die Kombination der Ergebnisse mit Landnutzungsinformation aus LANDSAT-Satellitenbildern ergab, dass die gemittelte O3 Deposition für Zentral-Rondônia aktuell ungefähr 85% der ursprünglichen Deposition bei vollständiger Oberflächenbedeckung durch Regenwald beträgt.

Bodenemissionen von NO wurden durch ein Eddy-Kovarianzmesssystem innerhalb des Stammraumes bestimmt. Für nächtliche Messungen ergaben sich, in guter Übereinstimung mit Resultaten gleichzeitig durchgeführter Bodenkammermessungen, mittlere Werte zwischen 3.5 ng N m-2 s-1 und 4.8 ng N m-2 s-1.

Ein Schwerpunkt der Experimente war es, während zwei Intensivmessphasen die Turbulenzstruktur innerhalb des Waldbestandes zu charakterisieren. Eine detaillierte Analyse der hochfrequenten Zeitreihen verschiedener Skalare über und im Bestand zeigte während des Tages ein häufiges Auftreten von Rampenmustern, einem Indiz für kohärente Turbulenzstrukturen. Dies ermöglichte tagsüber (a) die Bestimmung der mittleren Aufenthaltszeit der Luft in dem Teil des Bestandes, der durch diese kurzen, extremen Austauschereignisse direkt an die Atmosphäre darüber gekoppelt ist, und (b) die Anwendung eines auf kohärenter Luftbewegung basierenden Surface Renewal Modells zur Bestimmung des O3 Flusses.

Um den Einfluss von Prozessen wie turbulentem Transport, Aufnahme durch die Vegetation, Bodendeposition und chemischen Reaktionen im Pflanzenbestand auf den Ökosystemaustausch von Ozon und Stickoxiden abzuschätzen, wurden deren charakteristische Zeitskalen analysiert.

Weiter wurden erstmalig NO2 Profile in einem tropischen Regenwald gemessen. Durch die Kombination dieser Resultate mit den Daten aller, für die Regenzeit auf Blattniveau zur Verfügung stehenden Austauschmessungen, in einem stationären Budgetansatz, ergab sich eine Reduktion der Boden NOx Emission durch die Vegetation von bis zu 25%. Dieser Wert ist wesentlich geringer als durch bisherige Modellrechnungen bestimmt. Im direkten Vergleich zur NOx-Bilanz der relativ alten Viehweide, stellt der primäre Regenwald damit eine größere netto NOx-Quelle dar, was darauf hindeutet, dass auf lange Sicht, ohne den Einsatz von Dünger, die biogene Emission von NOx durch Abholzung des tropischen Regenwaldes in Südwest-Amazonien reduziert wird.

Letzte Änderung 11.11.2013