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FORSCHUNG
Mitarbeiter/-innen
Die IfT-Forschungsstation Melpitz
Die Forschungsstation des IfT liegt in der Nähe des Dorfes Melpitz bei Torgau im Urstromtal der Elbe (Bild 1). Das Messfeld befindet sich auf einer 100 Jahre alten Weide und ist von landwirtschaftlichen Nutzflächen umgeben. Die Entfernung nach Leipzig beträgt 41 km (87 m NN, 51°32 NL und 12°54’ OL). Die Hauptwindrichtung ist West-Süd-West (WSW, Leipzig), die zweithäufigste Windrichtung ist Ost (O, Lausitz). Die Forschungsstation wurde als mikrometeorologische Grenzschichtstation 1992 innerhalb des nationalen Verbundforschungsvorhabens SANA errichtet. Das Ziel war damals, die Veränderung von Konzentration und Deposition von Spurengasen und PM (partikuläres Material) in Folge der umfassenden Veränderungen der Emissionen im Prozess der deutschen Vereinigung zu quantifizieren. Der Rückgang der jährlichen Partikelmassenkonzentration PM10 für Melpitz ist in Bild 2 gezeigt. Massen- und Anzahlkonzentration von Partikeln stehen im Mittelpunkt des Interesses von Umweltforschung und Politik, deshalb wird in Melpitz die chemische Zusammensetzung unterschiedlicher Größenfraktionen in Abhängigkeit von ihrer Herkunft untersucht. In gemeinsamen Projekten (351 01 031 und 351 01 038) mit dem Bundesumweltamt und in verschiedenen EMEP-Kampagnen, unterstützt durch das Umweltbundesamt, werden deshalb diese chemisch-physikalischen Charakterisierungen durchgeführt.
Partikelquellen haben natürlichen und anthropogenen Ursprung, dies können z.B. sein Industrieprozesse, Vulkane und mechanische Prozesse an der Erdoberfläche als primäre Partikelmassebildung. Eine sekundäre Partikelmassebildung findet über unterschiedliche chemisch-physikalische Prozesse in der Troposphäre statt. Eine 2005 verbindlich gewordene gesetzliche Regelung der EU schreibt einen strengen Grenzwert für PM10 vor. Das Tagesmittel der Konzentration von 50 µg m-³ darf nur an 35 Tagen des Jahres überschritten werden. Der Grenzwert für das Jahresmittel liegt bei 40 µg m-³. Eine weitere Regelung der EU führt erstmals Zielwerte für PM2.5 ein. Überschreitungen des Tagesmittels in Ballungsräumen haben sehr komplexe Ursachen (z.B. Verkehrsaufkommen, individuelle Heizungen und Resuspension von Staub).
Auch großräumig hohe Massenkonzentrationswerte PM10 in der Umgebung von Städten tragen zur Anzahl der Tage mit Grenzwertüberschreitung bei. Vom Mai 2004 bis April 2007 wurden in Melpitz täglich Proben für PM10 und PM2.5 und sechstäglich Proben für PM1 mit Sammlern hohen Volumenstromes (DIGITEL DHA-80) gesammelt (Bild 1).
Die Partikelmasse auf den Quarzfiltern wird durch Wägung an einer Mikrowaage (20 °C, 50% relative Feuchte) bestimmt. Die wasserlöslichen Ionen wurden ionenchromatografisch bestimmt. Die Quantifizierung des organischen (OC) und elementaren Kohlenstoffs (EC) erfolgte über eine thermografische Zwei-Schritt-Methode mit dem Ströhlen C-mat 5500 Kohlenstoffanalysator. Die Tage für die Mittelwertbildung aus dem Datensatz der Messungen PM10, PM2,5 und PM1 für die zwei Hauptanströmungen West (maritim und kontinental) und Ost (kontinental) wurden mit Hilfe der 96-Stunden-Rückwärtstrajektorien (200, 500 und 1500 m über Grund) für jeweils 10:00 und 18:00 Uhr (MEZ) ausgewählt. Zusätzlich wurde zwischen Sommer- (1.5. bis 31.10.) und Winterhalbjahr (1.11. bis 30.4.) unterschieden.
Bild 3 zeigt grafisch die Mittelwerte unterschieden nach Partikeldurchmesser, Luftmassenquelle und Jahreszeit. Im Mittel sind die Partikelmassekonzentrationen in kontinentalen Luftmassen im Vergleich zu maritimen Luftmassen höher. Eine Ursache liegt in unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen. Bei Westwind ist die Windgeschwindigkeit relativ hoch und Regenschauer sind eingelagert. Im Gegensatz dazu existieren bei Ostanströmung meist Hochdruckwetterlagen mit trockenen Luftmassen und geringer Luftbewegung. Die Hauptquellregionen bei Westanströmung sind Deutschland, die Beneluxstaaten, Frankreich und Meeresoberflächen, bei kontinentaler Anströmung sind das Polen, Belorussland, die Ukraine und die Tschechische Republik. In diesen Gebieten existieren im Gegensatz zu Westeuropa immer noch kohlegeheizte Kraftwerke mit wenig wirksamer Rauchgasreinigung, alte Industrieanlagen und es fahren ältere Kraftfahrzeuge mit wenig intensiver Abgasreinigung. Bei maritimer Anströmung ist der Unterschied zwischen Sommer- und Winterhalbjahr gering, im Sommer werden aber mehr Grobstaubpartikel (PM10-PM2.5), gebildet hauptsächlich durch Resuspension von trockenen Oberflächen, nachgewiesen. Im Winter werden höhere Massenanteile von Sulfat, Nitrat und Ammonium gefunden. Diese thermisch flüchtigen Salze befinden sich bei geringen Temperaturen in der Partikelphase. Die höchsten Konzentrationen für PM2.5 und PM10 werden in winterlichen kontinentalen Luftmassen errreicht. In dieser Zeit ist die anthropogene Emmission am höchsten und die durchschnittliche Mischungsschichthöhe am geringsten. In dieser Situation ist der Anteil der Grobstaubfraktion (PM10-PM2.5) relativ gering, das heißt die vorhandenen Partikel wurden fern transprortiert. Deshalb sind kontinentale Wettersituationen im Winter oft verbunden mit dem großräumigen Auftreten hoher Partikelmassekonzentrationen. In solchen Situationen erreicht die PM10-Konzentration oft Werte > 50 µg m-³, aber auch Konzentrationen nahe diesem Wert tragen dann innerhalb von Ballungsräumen schnell zur Grenzwertüberschreitung bei. Diese Ergebnisse sind Teil eines nationalen Beitrages zum EMEP/TFMM PM Assesment Report.
Die Forschungsstation Melpitz ist eine „Supersite“ zur umfassenden chemisch-physikalischen Charakterisierung des Aerosols im europäischen Netzwerk EUSAAR und ein Ort mit Infrastruktur für Feldexperimente.
In einem gemeinsamen Projekt mit dem Gewerbeaufsichtsamt Hildesheim wurde ein neues photoakustisch arbeitendes Messgerät für Ammoniak (Omnisens, CH) an unterschiedlichen Standorten, Melpitz (urbaner Hintergrund), Hannover (Verkehrsstation) und Bösel (hohe NH3-Konzentrationen durch intensive Tierhaltung) im Vergleich mit anderen physikalischen und nasschemischen Methoden der Quantifizierung von gasförmigen NH3 in der Armosphäre getestet.
Die Ergebnisse sind im AMMONISAX-Abschlussbericht dargestellt.
Die Melpitzer Station dient im nationalen Forschungsvorhaben REGKLAM von 2008 bis 2013 der Charakterisierung der Hintergrundkonzentration von PM im Bezug zur Stadt Dresden und der Untersuchung der Auswirkung ausgewählter Witterungssituationen (deren Häufigkeitsverteilung sich im Rahmen des Klimawandels ändern könnte) auf die PM Konzentration und Zusammensetzung.
Melpitz ist ein Punkt im Deutschen Netzwerk für die Charakterisierung von Ultrafeinstaub. Diese Forschungen werden unterstützt durch das Umweltbundesamt Umweltforschungsplan 3703 43 200).
Bild 1: Die Forschungsstation Melpitz mit Filtersammler für PM10, PM2.5 und PM1.
Bild 2: Jahresmittel der PM10-Massenkonzentration in Melpitz von 1992 bis 2007. Die Fehlerbalken zeigen die Variation der Tagesmittelwerte. Die Niederschlags- Summe wurde invers dargestellt.
Bild 3: Mittlere PM1, PM2.5 und PM10 Massenkonzentration, Konzentrationen der wasserlöslichen Hauptionen (Nitrat, Sulfat und Ammonium) und für OC und EC im Winter und Sommer. Es wurden nur Tage mit eindeutigen Luftmassentransport aus westlichen Richtungen (blauer Rahmen) oder östlichen Richtungen (grüner Rahmen) berücksichtigt. Die Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der täglichen Partikelmassenkonzentrationen. "n" ist die Anzahl der gemittelten Tage. Mittelwerte aus drei Wintern (2004/05 bis 2006/07) und drei Sommern (2004 bis 2006).
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Letzte Änderung: 2008-11-12
Feldmessungen, Analytik & Prozessaufklärung
