Die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre
- wie stabil ist sie?

Franz Rohrer, Forschungszentrum Jülich

Durch anthropogene und natürliche Prozesse werden jährlich Millionen Tonnen gesundheitsschädlicher Stoffe wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. Die überwiegende Menge wird von der Atmosphäre in für die Gesundheit ungefährliche Substanzen umgewandelt, meist in Kohlendioxid oder wasserlösliche Substanzen, die dann durch Regen ausgewaschen werden können. Ohne diese Umwandlung würden sich die Schadstoffe in der Atmosphäre immer weiter anreichern. Der eigentliche Abbau geschieht in einer Reihe komplizierter chemischer Prozesse, die durch Reaktion der Schadstoffe mit sehr reaktionsfreudigen Substanzen, den sogenannten OH-Radikalen, eingeleitet wird. Man spricht hier deswegen auch vom Waschmittel der Atmosphäre.

OH-Radikale bestehen aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom. Die für ihre Erzeugung nötige Energie wird von der Sonne geliefert. Ozonmoleküle werden dabei in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre, durch UV-Strahlung aufgespalten. Die Bruchstücke reagieren mit Wasserdampf weiter zu OH-Radikalen. Für jedes Schadstoffmolekül, das freigesetzt wird, müssen auf diese Weise mehrere OH-Radikale von der Atmosphäre bereitgestellt werden. Da bei den nachfolgenden Abbaureaktionen wiederum Ozon entsteht, kann sich der Prozess bei Sonneneinstrahlung im Prinzip selbst aufrecht erhalten.

Die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre kann aber auch überfordert werden und zusammenbrechen. Der genaue Verlauf des Abbaus eines Schadstoffes, zum Beispiel eines Kohlenwasserstoffes, kann sehr kompliziert sein und über hunderte von Reaktionsschritten bis zum Kohlendioxid laufen. Bei etwa der Hälfte der Folgereaktionen treten wieder OH Radikale in Aktion. Um zu verstehen, wie die Atmosphäre es schafft, die Schadstoffe immer wieder zu entfernen, ist die Kenntnis und das Verständnis der OH-Radikale von zentraler Bedeutung. Ihre direkte Messung ist sehr schwierig und erst seit wenigen Jahren möglich. Sie gelang immer nur für kurze Perioden von einigen Tagen bis wenigen Wochen. Mit diesen relativ kurzen Datensätzen konnten bisher keine systematischen Untersuchungen darüber erfolgen, welche Prozesse die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum bestimmen. Vom Deutschen Wetterdienst wurde deswegen am Meteorologischen Observatorium Hohenpeissenberg ein empfindliches Messsystem für OH aufgebaut und mit großem Einsatz über fünf Jahre betrieben. Aufgrund ihrer komplizierten Chemie wurde eine sehr große Variabilität der OH Konzentration als Ergebnis der Messungen erwartet. Bei der Auswertung des weltweit einmaligen Datensatzes stellte sich allerdings überraschenderweise heraus, dass das Gegenteil der Fall war. Die OH Radikale waren zwar hoch variabel, aber sie zeigten allein eine Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung und keinerlei Einflüsse von Schadstoffen, und das über einen Zeitraum von fünf Jahren mit den verschiedensten Wettersituationen und saisonalen Einflüssen. Die Aufgabe war nun, in diesem Datensatz von etwa 500000 OH Messungen den dominierenden Einfluss der Sonneneinstrahlung von den anderen Einflussgrößen zu trennen und zu charakterisieren.

Abbildung 1: Varianzanalyse eines Testdatensatzes zusammengesetzt aus 1. einer Sinusfunktion der Periode 100 Tage und der Varianz 0.5 2. einer Sinusfunktion der Periode 1 Tag und der Varianz 0.5 3. einer normalverteilten Zufallsvariablen der Varianz 1.

Zu diesem Zweck wurde ein mathematisches Verfahren entwickelt, das die Variabilität einer Größe in ihre zeitlichen Komponenten zerlegt. Als Maß für die Variabilität wurde die sogenannte Varianz benutzt, die die Schwankung einer Größe um ihren Mittelwert beschreibt. Für diese Varianzanalyse wird als erstes die Varianz des gesamten OH Datensatzes berechnet, also für eine Zeitskala von fünf Jahren. Danach wird der Datensatz in zwei Hälften geteilt und die beiden Teilvarianzen gemittelt. Dies ergibt die Varianz für eine Zeitskala von zweieinhalb Jahren. Der Datensatz wird so in immer mehr Teile unterteilt und jeweils die mittlere Varianz berechnet. Dieser Algorithmus wurde in IDL entwickelt und getestet. Als Beispiel ist in der ersten Abbildung ein Test mit einem künstlich erzeugten Datensatz zu sehen. Der Testdatensatz wurde durch Addition von drei Datenreihen erhalten: Eine Sinusfunktion mit einer Periode von 100 Tagen, eine Sinusfunktion mit einer Periode von einem Tag und einer normal verteilten Zufallsvariablen. Die Varianzen dieser drei Teile betrugen 0.5, 0.5 und 1. Da Varianzen von unabhängigen Prozessen additiv sind, ist die Varianz der Testdatensatzes gleich 2. Die in Abbildung 1 dargestellte Zeitskalenanalyse zerlegt den Testdatensatz wieder in seine drei Komponenten. Jede Komponente bildet eine Stufe und erlaubt dabei die quantitative Bestimmung ihres Zeitverhaltens und ihrer Größe.

Abbildung 2: Varianzanalyse des OH-Datensatzes vom Meteorologischen Observatorium Hohenpeissenberg (Nature, 2006). Schwarze Kurve: Gesamtvarianz, blaue Kurve: mit UV-Strahlung verknüpfter Varianzanteil, grüne Kurve: Messgeräterauschen, rote Kurve: Restvarianz

Wendet man das gleiche Verfahren für den OH Datensatz vom Hohenpeissenberg an, werden mehrere Prozesse sichtbar. In Abbildung 2 sind neben der Varianzanalyse des OH Datensatzes (schwarze Kurve) noch der Einfluss der Sonneneinstrahlung (blaue Kurve) und des Messgeräterauschens (grüne Kurve) dargestellt. Das Messgeräterauschen ist auf allen Zeitskalen gleich groß. Der Einfluss des Sonnenlichtes erzeugt zwei Stufen bei der Zeitskala von einem Tag und bei etwa 90 Tagen, also bei der tageszeitlichen und jahreszeitlichen Veränderung der Sonneneinstrahlung. Die drei Einflüsse Messgeräterauschen, Tagesgang und Jahresgang der Sonneneinstrahlung dominieren die Variabilität des OH Datensatzes. Der verbleibende Rest ist in der roten Kurve zu sehen. Sie besteht aus einer überraschenderweise sehr kleinen Stufe, die bis zu einer Zeitskala von etwa 10 Tagen reicht. Dies ist die Zeitskala von Wetteränderungen. Diese kleine Stufe vereinigt die Veränderungen der chemischen Umgebung von OH, also der für sich gesehen stark veränderlichen Schadstoffkonzentrationen und der Ozonkonzentration. Die vorliegende Analyse hat gezeigt, dass die OH Konzentration am Hohenpeissenberg auch über lange Zeitskalen nur eine Funktion der Sonneneinstrahlung ist und die Einflüsse von variierenden Schadstoffkonzentrationen sehr stark kompensiert werden. Diese Stabilisierung ist bisher nicht mit dem vorhandenen Wissen der Photochemie zu erklären, bedeutet aber, dass die Natur viel besser mit dem Schadstoffabbau in der Atmosphäre zurecht kommt, als bisher bekannt war.

IDL wird in unserem Institut seit mehr als 10 Jahren als Standardtool für die Verarbeitung und Visualisierung von Zeitreihen atmosphärisch relevanter Moleküle eingesetzt. Die schnelle Umsetzung von Ideen für die Auswertung auch großer Datensätze, die Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse und der leichte Austausch von eigenen Entwicklungen mit anderen Usern sind hierfür ausschlaggebend gewesen.

Originalveröffentlichung: Rohrer, F. and H. Berresheim, Strong correlation between levels of tropospheric hydroxyl radicals and solar ultraviolet radiation, Nature, 442, 184-187, 2006.