Diplomarbeit
Fluxes of reactive and non-reactive trace gases near the forest floor
Michael Riederer (02/2008-05/2009)
Betreuer: Thomas Foken, Johannes Lüers
Teilbetreuung durch Prof. Meixner (MPI für Chemie Mainz)
Diese Arbeit dient der Ermittlung von Flüssen und Konzentrationen reaktiver und nichtreaktiver Spurengase in den bodennahen Luftschichten eines Ökosystems mit hoher Vegetation. Die entsprechenden Daten wurden, im Zuge der IOP2 des EGER-Projekts, am Forschungsstandort Weidenbrunnen, einem Fichtenwald im Fichtelgebirge (Nordbayern, Deutschland), von 29. Juni bis 2. Juli 2008, erhoben. Dabei handelt es sich, neben meteorologischen Parametern, die mit einer automatisierten Wetterstation erfasst wurden, um Konzentrationsmessungen der Spurengase CO2, H2O, O3, NO und NO2 in fünf, sowie 220Rn und 222Rn in vier Messhöhen, innerhalb des untersten Meters über dem Waldboden. Es werden diverse Modellansätze, die auf gewöhnlichen Profilgleichungen bis hin zu hydrodynamischen Forschungsergebnissen beruhen, für die Flussbestimmung herangezogen. Ein hydrodynamisches Mehrschichtmodell, welches die unterschiedlichen, im untersten Meter der Atmosphärischen Grenzschicht vorkommenden, Schichten berücksichtigt, liefert dabei die besten Ergebnisse. Diese werden anschließend mit Flüssen verglichen, die mittels Eddy Kovarianz Methode oder über Messungen mit statischen Bodenkammern ermittelt wurden. Oftmals ist die räumliche Heterogenität des Waldökosystems für nicht vernachlässigbare Flussunterschiede trotz relative geringem Abstand der Messsysteme verantwortlich. Die großen Unterschiede in der Ausprägung des Unterwuchses lassen zum Beispiel keine zufriedenstellenden Vergleiche von fühlbaren und latenten Wärmeströmen zu. Für zukünftige Experimente ist das bei der Anordnung der Messaufbauten zu berücksichtigen. Dies stellte jedoch beim Vergleich der Ozonflüsse, die mittels Eddy Kovarianz gemessen und über den hydrodynamischen Ansatz modelliert wurden, kein Problem dar. Beide Flüsse lagen in der gleichen Größenordnung und zeigten auch sonst Ähnlichkeiten, was zur Validierung des hydrodynamischen Mehrschichtmodellansatzes beitrug. Verglichen dazu fallen die CO2 und 222Rn Oberflächenflüsse, die mit der Bodenkammer bestimmt wurden, zu klein aus, was eine kritische Beurteilung des verwendeten Bodenkammersystems erfordert. Das ist insbesondere deshalb wichtig, weil der Oberflächenfluss ein Ausgangsparameter bei der Bestimmung des turbulenten Diffusionskoeffizienten (K) ist. Ein neuartiger Ansatz, basierend auf dem ersten Fick’schen Gesetz, dient der Ermittlung von K-Profilen, die anschließend in die Modellierung von Konzentrationsprofilen reaktiver Spurengase eingehen sollen. Diese sind besonders abhängig von ihrer Transportgeschwindigkeit und Aufenthaltsdauer in Reichweite ihrer Reaktionspartner. Die Ergebnisse für turbulente Diffusionskoeffizienten sind zum Beispiel 1.2∙10-4 to 6.5∙10-3 m2 s-1 höher, wenn an Stelle des 222Rn Bodenkammerflusses der modellierte Oberflächenfluss eingesetzt wird. Dieses Problem kann durch Vergleichsmessungen mit einem neuen Bodenkammersystem, das unter Anderem einen exponentiellen Fit für den Konzentrationsanstieg verwendet, untersucht werden. Die während dieser Arbeit aufgetretenen Unterschiede zwischen gemessenen und modellierten Flüssen, motivierten dazu, nach bodennahen Entkopplungszuständen zu suchen. Dafür wurde ein in zwei Schritten durchführbarer Modellansatz entwickelt. Man erhält dabei eine sogenannte effektive Oberflächenkonzentration, die mit der empirisch bestimmten verglichen wird. Über den Unterschied der beiden Konzentrationen können Aussagen über eventuelle Entkopplungszustände getroffen werden. Zwei nichtreaktive Spurengase, Wasserdampf und 222Rn, werden dafür verwendet und weisen eine Übereinstimmung von mehr als 80% auf.