1.6.2Atmosphärenschichtung und Umweltschutz
Wie gleich zu zeigen sein wird, spielt der Schichtungstyp bei Fragen des Umweltschutzes eine außerordentlich wichtige Rolle. Je nach dem Stabilitätszustand werden nämlich Emissionen entweder sehr schnell in vertikaler Richtung zu unbedeutenden Konzentrationen verdünnt, oder sie können sich, tage-, ja wochenlang in festen Höhenschichten eingeschlossen, in gefährlichem Maße ansammeln. Abb. 13 soll die Zusammenhänge erläutern. Dort ist für fünf verschiedene Schichtungen das typische Ausbreitungsverhalten von Emissionen dargestellt. Links daneben sind die zugehörigen Temperatur-Höhenkurven und der adiabatische Gradient eingezeichnet.
Im Falle (a) haben wir eine fast adiabatische Schichtung vor uns. Der vom Schornstein ausgestoßene Rauch bewegt sich dabei in immer größer werdenden Mäandern lebhaft auf und ab und verdünnt sich dabei außerordentlich rasch. Er kann aber vorübergehend auch einmal bis zum Boden heruntergedrückt werden. Fast erinnert das Bild an eine Tasse mit Kaffee, in der Milch verrührt wird. In der Tat spielen sich dabei auch ganz ähnliche Vorgänge ab. 52 Würde man die Bahn eines ausgesuchten Rauchteilchens verfolgen, so könnte man sehen, dass sie aus vielen hintereinander angeordneten, verschieden großen Schleifen besteht. Von den Schleifen hat dieser Schichtungstyp auch seinen Namen Looping erhalten.
Abb. 13 Formen einer Rauchfahne bei verschiedenen Temperaturschichtungen nach Bierly und Hewson 1962.
Vergleicht man den Typ (b) damit, so stellt man fest, dass bei einer leicht stabilen Schichtung zwar noch Ansätze zu Mäandern vorhanden sind, aber die Vertikalbewegung doch insgesamt schon recht eingeschränkt ist. Nur langsam entwickelt sich die Rauchfahne in der Vertikalen, entsprechend langsam erfolgt auch die Verdünnung der Emission. Wegen der konischen, allmählich dicker werdenden Form des Rauches nennt man diesen Schichtungstyp Coning. 53
Steigert man die Stabilität schließlich bis zu einer massiven Inversion, wie im Fall (c) dargestellt, so findet überhaupt keine vertikale Ausbreitung mehr statt. Der Rauch steigt zwar wegen seiner Wärme noch etwas über die Schornsteinoberkante hinaus, aber nur so lange, bis er sich auf die Temperatur der Umgebung abgekühlt hat. Dann gibt es für ihn keine Vertikalbewegung mehr. Nur in der Horizontalen besteht die Möglichkeit zur Ausbreitung, sodass die Rauchfahne die Form eines waagerecht liegenden Fächers annimmt. Entsprechend bezeichnet man Inversionslagen auch als Fanning-Lagen. Für einen seitlich stehenden Beobachter zieht sich der Rauch in Form eines dünnen Fadens dahin, der kein Ende zu nehmen scheint. Bei einer Inversion sind demnach die Voraussetzungen für eine Verdünnung von atmosphärischen Verunreinigungen außerordentlich schlecht.
Als Lofting bezeichnet man einen Schichtungstyp, bei dem wie in Abb. 13 (d) dargestellt, eine Inversion relativ geringer Mächtigkeit nur in Bodennähe vorhanden ist, während darüber die Temperaturschichtung in etwa adiabatischen Verhältnissen entspricht. Solche Situationen entstehen praktisch in jeder wolkenarmen Nacht aufgrund des Energiehaushaltes (s. Seite 240ff.). Die Höhe der Inversion ist sehr unterschiedlich und hängt wesentlich von der Geländeform ab. Im ebenen Gelände übersteigt sie kaum 300 m. In Tallagen dagegen kann sie durchaus mehrere hundert Meter erreichen.
Gelingt es, durch entsprechende Schornsteinhöhe und Abgastemperatur, die Emissionen über die Inversionsobergrenze hinaufzubringen, so ist innerhalb der Inversion keine Luftverunreinigung mehr zu befürchten. Da die Inversion Vertikalbewegungen blockiert, können keine Luftpakete nach unten vordringen, dagegen bestehen nach oben hin wie beim Looping- oder Coning-Typ gute Voraussetzungen für eine rasche Verdünnung. Werden Schadstoffe jedoch innerhalb einer Inversion so abgelassen, dass sie die darüberliegende adiabatische Schicht nicht mehr erreichen können, so bleiben sie, ebenso wie beim Fanning-Typ, in einer festen Höhe gefangen und sammeln sich dort in ständig steigender Konzentration an. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Inversion aufgrund einer extremen Wetterlage erheblich höher als gewöhnlich wird. Meist stellt Lofting eine vorübergehende Situation von nur einigen Stunden Dauer dar.
Schließlich ist der umgekehrte Fall zu nennen, bei dem über einer nahezu adiabatischen Schicht am Boden eine Höheninversion liegt (e). Eine solche Situation heißt Fumigation. Gelingt es nicht, Abgase bis auf das Niveau der Inversion zu bringen, so stellt eine Fumigation-Lage die umweltschädlichste von allen fünf genannten Situationen dar. 54
Nach oben hin ist durch die Inversion jede Verdünnungsmöglichkeit blockiert, nach unten hingegen können sich die Verunreinigungen ungehindert ausbreiten, sodass sie sich in der Schicht zwischen Boden und Inversionsuntergrenze zunehmend ansammeln.
Zu Fumigation-Situationen kommt es gerne in größeren Städten (s. Seite 350). Da in Ballungszentren im Allgemeinen auch besonders viele Emissionsquellen vorhanden sind, wirkt sich eine Fumigation-Lage besonders umweltbelastend aus. Ihre Entstehung ist leicht zu erklären.
Stellen wir uns vor, durch Absinken sei eine mehrere hundert Meter mächtige Inversion entstanden. Wenn jetzt die unteren Schichten dieser Inversion durch Wiedererwärmung abgebaut werden, haben wir in kurzer Zeit eine Fumigation-Situation. Aber welche Vorgänge sind es, die eine solche Wiedererwärmung bewirken können?
Zum einen ist es die Wärmefreisetzung durch Industrie, Hausbrand und Kraftverkehr, zum andern die Ausbildung von Windwirbeln an Gebäuden und Geländeunebenheiten. Insbesondere der zweite Vorgang spielt eine wichtige Rolle. Wie wir später noch sehen werden, erzeugt der Wind im Gelände (s. Seite 347) stets mehr oder weniger große Wirbel mit überwiegend waagerechten Rotationsachsen. Diese Wirbel erzwingen in ihren auf- und ihren absteigenden Ästen Vertikalbewegungen von Luftpaketen, sowohl von oben nach unten als auch umgekehrt von unten nach oben. Dadurch werden nicht nur sämtliche zur Labilität neigenden Schichtungen fast augenblicklich umgelagert, sondern auch stabile Schichtungen bis hin zu Inversionen zumindest abgeschwächt, wenn nicht völlig zerstört. Der Grund dafür ist, dass in den absteigenden Ästen der Wirbel Luftpakete aus Höhen bis zu einigen hundert Metern heruntergeholt werden. Diese sind von Anfang an schon wärmer als die kalte Luft am Grund der Inversion, zusätzlich werden sie aber während des Absinkens noch adiabatisch erwärmt. Damit können sie insbesondere die unteren Bereiche der Inversion aufheizen und sie auf diese Weise zum Verschwinden bringen, also eine Fumigation-Situation hervorrufen. Wie Fumigation-Schichtungen noch entstehen, wird auf Seite 350 besprochen.
Neben den hier vorgestellten Schichtungstypen gibt es noch die relativ seltene Sonderform „Trapping”. Ihren Namen hat sie vom englischen Wort für Falle: „trap”. Bezeichnet wird damit eine Situation, bei der über einer Bodeninversion eine weitgehend adiabatische Schicht liegt, an die sich nach oben hin eine Höheninversion anschließt.
1.6.3Ausbreitungsrechnung
Ihre Aufgabe ist es, die Ausbreitung und Verdünnung freigesetzter Luftverunreinigungen zahlenmäßig zu beschreiben. In der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft, kurz als TA Luft bezeichnet, die das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit im Jahre 2002 neu herausgegeben hat, sind alle Grundlagen und Berechnungsverfahren sowie die dabei zu 55 berücksichtigenden Richtlinien genau beschrieben und können dort im Bedarfsfall nachgelesen werden.
Hier soll nur ein vereinfachtes Beispiel vorgestellt werden, das das Ausbreitungsverhalten der Atmosphäre vom Prinzip her aufzeigt.
Dazu werden 5 Stabilitätsklassen definiert:
sehr stabil
stabil