Transport und chemische Umwandlung von Luftschadstoffen im Nahbereich von Autobahnen - Numerische Simulationen

In der vorliegenden Arbeit wird auf der Basis von
Turbulenzmessungen an einer Autobahn eine Parametrisierung der
autobahninduzierten Turbulenz entwickelt und in das Modellsystem
KAMM/DRAIS integriert, um die Ausbreitung und die chemische
Umwandlung von Luftschadstoen im Nahbereich einer Autobahn zu
simulieren. Die Autobahn beeinusst das Turbulenzfeld durch zwei
unterschiedliche Mechanismen, die fahrzeuginduzierte Turbulenz
und die Turbulenzproduktion infolge der Überströmung des
Autobahndammes, da dieser als Ströomungshindernis wirkt. Beide
Effekte werden im gemessenen Turbulenzfeld nachgewiesen und
parametrisiert. Anhand eines Vergleichs von gemessenen
vertikalen Profilen der Differenz der CO-Konzentration zwischen
Lee und Luv einer Autobahn und gemessenen vertikalen
Konzentrationsprofilen eines Tracers bei einem aus der Literatur
bekannten Ausbreitungsexperiment mit Modellergebnissen kann die
neue Parametrisierung verifiziert werden. Nur bei Verwendung der
vollständigen Parametrisierung der autobahninduzierten Turbulenz
wird die Abgasfahnenhöhe und die bodennahe Maximalkonzentration
richtig beschrieben.
Mit dem so erweiterten Modellsystem werden im folgenden
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zeitliche und räumliche Konzentrationsverteilungen reaktiver
Substanzen im Nahbereich der Autobahn simuliert.
Am Beispiel der chemischen Wechselwirkung von Stickoxiden und
Ozon kann der große Einuss der Chemie aufgezeigt werden. So
zeigt NO ein sehr viel schnelleres Abklingen im Lee der Autobahn
im Vergleich zum nur vom Transport beeinussten CO, während NO2
ein viel langsameres Abklingen erkennen lässt, da es chemisch
produziert wird. Einige weitere nicht emittierte Substanzen
weisen bodennah einen signifikanten Konzentrationsrückgang beim
Überströmen der Autobahn auf. Das OH-Radikal zeigt zusätzlich
einen deutlichen Anstieg im oberen Bereich der Abgasfahne.
In einem weiteren Abschnitt wird die Ausbreitung von auf der
Autobahn emittiertem Grobstaub simuliert. Dieser Grobstaub
entsteht vor allem durch Abrieb von Reifen, Bremsbelägen und
Fahrbahnoberfläche sowie durch Resuspension. Die simulierten
Konzentrationsverteilungen im Lee der Autobahn lassen einen
großen Einuss der autobahninduzierten Turbulenz erkennen. Die
Reichweite der Partikel hängt stark von ihrem Durchmesser ab und
nimmt für sehr große Partikel mit einem Durchmesser von 100 m
geringe Werte von einigen Metern an. Kleine Partikel mit einem
Durchmesser von 1 m verhalten sich im Nahbereich der Autobahn
sehr ähnlich wie ein inertes Gas.
Das charakteristische Aussehen gemessener Größenverteilungen des
Grobstaubs kann mit den Modellrechnungen erklärt werden.