Contribution of road traffic emissions to tropospheric ozone in Europe and Germany

Kurzfassung

Troposphärisches Ozon (O3) wirkt als Treibhausgas und ist ein Vorläuferstoff des Hydroxyl Radikals (OH), einer wichtigen Substanz für die Selbstreinigung der Troposphäre. Hohe Konzentrationen von O3 schädigen jedoch die Vegetation und sind schädlich für die menschliche Gesundheit. Quellen für troposphärisches Ozon sind der Abwärtstransport aus der Stratosphäre sowie die photochemische In-Situ Produktion. An dieser Produktion sind vor allem Stickoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie leichtflüchtige organische Verbindungen (VOCs) beteiligt, für die eine wichtige Quelle Emissionen aus dem Straßenverkehr sind. Aufgrund der Nichtlinearität der Ozonchemie ist es allerdings nicht möglich, die Menge an O3, die von Emissionen aus dem Straßenverkehr erzeugt wird, direkt zu berechnen. Dies ist nur mit Hilfe umfangreicher Simulationen mit Klima-Chemie Modellen möglich. In dieser Dissertation untersuche ich den Beitrag der Straßenverkehrsemissionen zum troposphärischen O3 in Europa und Deutschland für gegenwärtige Bedingungen sowie für eine Zukunftsprojektion. Hierfür wende ich in dieser Studie erstmals ein neu entwickeltes Modellsystem an, das es ermöglicht, ein grob aufgelöstes globales Modell in bestimmten Regionen konsistent zu verfeinern. Das Modell wurde um eine Tagging-Technik erweitert. Dadurch lassen sich die Reaktionswege der von unterschiedlichen Quellen emittierten Spezies nachverfolgen. Die Simulationsergebnisse wurden im Hinblick auf die troposphärische Gasphasenchemie evaluiert, indem sie mit Beobachtungsdaten von Satelliteninstrumenten, bodengebunden Messungen sowie von Ozonsonden verglichen wurden. Für die Emissionen des Straßenverkehrs wurde ein mittlerer Beitrag von 11 +/- 1 % zur troposphärischen Ozonsäule bis 850 hPa für Bedingungen des Jahrs 2008 in Europa ermittelt. Im Winter wird der Beitrag vor allem durch den Ferntransport bestimmt, während im Sommer die Bedeutung der lokalen Produktion zunimmt. Das globale und das regionale Modell simulieren vergleichbare Werte für das europäische Gebiet. Auf der regionalen Skala (z.B. in der Po Ebene) weichen die Modelle jedoch deutlich voneinander ab. Regionale Modelle sind daher für die Darstellung von extremen O3 Werten wichtig. Diese Modelle ermöglichen außerdem quantitative Aussagen über den regionalen Beitrag verschiedener Quellen zu O3. Die größte Sensitivität der Ergebnisse dieser Analyse zeigt sich für die Unsicherheiten über die Kenntnis der natürlichen und anthropogenen NOx-Quellen. Die Analysen der Zukunftsprojektion für das Jahr 2030 deutet eine Abnahme des Beitrags der Straßenverkehrsemissionen von 2-3 Prozentpunkten im Sommer an. Aufgrund der Bedeutung des Ferntransports von Ozon und dessen Vorläuferstoffen wird der Effekt von regionalen Minderungsstrategien jedoch stark durch die globalen Bedingungen bestimmt. Die regionale Abnahme der NOx Emissionen für Deutschland, projiziert für das Jahr 2030, führt in vielen deutschen Städten zu einer Zunahme von bodennahen Ozon, da VOC Emissionen nicht ebenso stark reduziert werden wie die NOx Emissionen.