Die Broschüre des John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf deutsch und auf englisch. Sie kann bestellt werden beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).

Vorwort	Super- computing	Astro- physik	Elementar- teilchen	Viel- teilchen	Polymere	Chemie	Umwelt	Sonstige Gebiete

    Umwelt

Begleittext "Umwelt"	Harry Vereecken, Heiner Geiß, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Forschungszentrum Jülich
Flugzeugemissionen im Tropopausenbereich	Adolf Ebel, Johannes Hendricks, Johanna Kowol-Santen, Elmar Lippert und Raimund Meyer, EURAD, Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln
Sommersmog in Berlin	Adolf Ebel, Michael Kerschgens, Michael Memmesheimer, EURAD, Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln; Heiner Geiß, Institut für Chemie der Belasteten Atmosphäre, Forschungszentrum Jülich; Rainer Friedrich, Burkhard Wickert, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart
Schadstoffausbreitung im Boden	Harry Vereecken, Institut für Erdöl und Geochemie, Forschungszentrum Jülich

Begleittext "Umwelt"

Die Forschungsaktivitäten in der Umweltvorsorgeforschung sind durch die enge Verbindung von Messung und numerischer Simulation gekennzeichnet. Nur eine Verknüpfung von Theorie und Praxis liefert ein komplettes Bild der komplizierten Vorgänge in der Natur und ermöglicht Prognosen. Feldmeßkampagnen und Laborversuche gehören ebenso dazu wie die mathematische Modellierung mit Hilfe massiv paralleler Supercomputer. Nur in der Kombination der verschiedenen Ansätze gelingt es, ein vollständiges Bild der Naturprozesse aufzubauen und damit wirkungsvoll für die Umweltforschung einzusetzen.

Die im Feld und im Labor gewonnenen Daten dienen als Grundlage für neue Theorien, die in Computermodelle umgesetzt und weiterentwickelt werden. Um die verschiedenen Prozesse vergleichbar und nachvollziehbar zu machen, wird mit Hilfe mathematischer Modelle und in "Simulationsexperimenten" am Computer versucht, ein Abbild der Zusammenhänge zu schaffen.

Beispiele dafür sind die Erforschung der Bildung von Sommersmog in der Umgebung von Großstädten, der Einfluß von Flugzeugemissionen auf die Atmosphäre und die Ausbreitung von Schadstoffen in Böden und Grundwasser.

In der Atmosphäre berechnet man mit komplexen atmosphärischen Chemie- und Transportmodellen die räumliche Verteilung der Luftkonzentration etwa von Ozon und Stickoxiden sowie deren zeitlichen Verlauf unter den unterschiedlichsten meteorologischen Bedingungen und für verschiedene Emissionsszenarien. Mit den Ergebnissen lassen sich Emissionsminderungsstrategien bewerten und in Zukunft auch genauere Sommersmogvorhersagen durchführen. Atmosphärische Simulationsexperimente werden auch immer öfter zur Planung von Feldmeßkampagnen und zur Berechnung der potentiellen Belastung von Ökosystemen durch menschliche Aktivitäten eingesetzt.

Die Bewertung und Quantifizierung der Langzeitfolgen von Böden- und Grundwasserkontaminationen erhält eine zunehmende Bedeutung bei der langfristigen Sicherung der Ressource Wasser. Dabei ist wie in der Atmosphäre die richtige physikalische Formulierung und die genaue mathematische Beschreibung des Ausbreitungsprozesses Grundlage für den Erfolg der Modellrechnungen.

Darüber hinaus hängt die Güte der Simulationsergebnisse wesentlich von der Qualität der gemessenen physikalischen, chemischen und biologischen Randbedingungen und Parameter im Boden ab. Vor allem die Tatsache, daß Böden und Grundwasserleiter, anders als die Atmosphäre, nicht homogen sind, sondern aus einer Wechsellagerung von verschiedenen Sedimenten bestehen, erfordert eine genaue Charakterisierung dieser Parameter. Die Anwendung von geophysikalischen Meßmethoden sowie neue Methoden auf der Basis von induzierten Magnetfeldern liefern einen Beitrag zur genaueren Beschreibung des Untergrundes und verbessern die Ergebnisse der Computerprogramme.

(Harry Vereecken, Heiner Geiß, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Forschungszentrum Jülich)

Flugzeugemissionen im Tropopausenbereich

In der oberen Abbildung ist die globale Verteilung der Stickoxid-Emissionen [t/a] (farbig) durch den Reiseflugverkehr in 11-12 km Höhe nach einem Emissionskataster von McInnes und Walker dargestellt. Die weißen Punkte geben die Aktivitätsverteilung von Tropopausenfaltungen wieder. In mittleren nördlichen Breiten, wo auch ein großer Teil der Flugbewegungen stattfindet, zeigt sich eine höhere Aktivität von Tropopausenfaltungsereignissen.

Die untere Abbildung zeigt die Tropopause als 1.6-PVU-Fläche im Nordatlantik-Korridor am 15.10.1993 um 0 Uhr UTC (blaue Fläche). Zusätzlich ist die Verteilung der Abgase (Tracer) durch den Reiseflugverkehr, welcher im wesentlichen zwischen 9 und 13 km Höhe stattfindet, dargestellt (rote Fläche). Man kann erkennen, daß die Verteilung der Flugzeugemissionen durch die Dynamik der Tropopausenregion beeinflußt wird. Im Bereich der Tropopausenfaltung südlich von Grönland findet ein Abwärtstransport der Flugzeugabgase statt. Zugrunde liegen Ergebnisse des mesoskaligen Modellsystems EURAD-TS (Europäisches Ausbreitungs- und Depositionsmodell für die Troposphäre und untere Stratosphäre) mit einer horizontalen Gitterauflösung von 50 km und einer vertikalen Erstreckung vom Erdboden bis in 10 hPa Höhe.

Die Modellrechnungen wurden im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprogramms "Schadstoffe in der Luftfahrt" innerhalb des Projekts STRATFLUT (Simulation des Transports und der chemischen Transformation von Flugzeugabgasen im Tropopausenbereich) durchgeführt.

(Adolf Ebel, Johannes Hendricks, Johanna Kowol-Santen, Elmar Lippert und Raimund Meyer, EURAD, Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln)

Sommersmog in Berlin

Ozon bildet sich unter Sonneneinstrahlung aus Stickoxiden (NO_x) und Kohlenwasserstoffen. Die Bildung von Ozon erfolgt deshalb vor allem an hochsommerlichen Tagen in der Nähe städtischer Ballungszentren. Dies führt zu hohen gesundheitsschädlichen Ozonkonzentrationen, die über mehrere Tage anhalten können (Sommersmog). Als Beispiel sind hier die Ergebnisse einer Modellrechnung dargestellt, die die Konzentrationen von NO_x und Ozon um 8 Uhr morgens und um 16 Uhr nachmittags bei Berlin zeigen. Man erkennt deutlich die hohen NO_x- und die niedrigen Ozonwerte am Morgen. Am Nachmittag treten die höchsten Ozonwerte bei Winden aus Südost etwa 50 bis 100 km nordwestlich von Berlin auf. Erhöhte NO_x-Werte finden sich um 16 Uhr nur noch im Stadtbereich und entlang der Autobahnen. Die Arbeiten werden im Rahmen des Troposphärenforschungsschwerpunkts des BMBF durchgeführt. Sie dienen der Unterstützung des im Sommer 1998 durchgeführten Berliner Ozonexperiments (BERLIOZ).

(Adolf Ebel, Michael Kerschgens, Michael Memmesheimer, EURAD, Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln; Heiner Geiß, Institut für Chemie der Belasteten Atmosphäre, Forschungszentrum Jülich; Rainer Friedrich, Burkhard Wickert, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart)

Schadstoffausbreitung im Boden

In Jülich wurde ein Software-Paket entwickelt, mit dem sich die Schadstoffausbreitung im Grundwasser voraussagen läßt. Während mehrjähriger Labor- und Feldarbeit wurden Bodenproben in einem Feld bei Krauthausen nahe Jülich genommen und auf ihre Wasserleitfähigkeit und Speicherkapazität untersucht. Um den Wasserfluß im Boden zu verfolgen, setzten die Forscher ungiftige Fluoreszenz-Farbstoffe ein und analysierten regelmäßig ihren Verbleib. Aus den gewonnenen Daten konnte ein Computer-Modell erarbeitet werden, das die Mobilität von Schadstoffen vorausberechnet. Das Programmpaket besteht aus drei Teilen: "Trace" berechnet den Wasserfluß im Erdboden; das Programm läuft auf einem Parallelrechner. Aufbauend auf den Ergebnissen berechnet "Partrace" die Ausbreitung der Schadstoffpartikel auf dem Vektorrechner CRAY T90. Anschließend werden die Ergebnisse auf einem Graphikrechner visualisiert. Das Bild zeigt die Ausdehnung einer Schadstoffwolke (rot) im Verlauf mehrerer Wochen. Wasserundurchlässige Gesteinsschichten sind grau dargestellt.

(Harry Vereecken, Institut für Erdöl und Geochemie, Forschungszentrum Jülich)

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