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Besondere Extremsituationen von Schadstoffkonzentrationen stellen Inversionen dar. Es werden grundsätzlich zwei Arten unterschieden, die Boden- und die Höheninversion.
Bodeninversionen bzw. Strahlungsinversionen entsprechen der Lofting-Situation, vorausgesetzt, die Inversionsschicht ist nicht höher als die effektive Schornsteinhöhe. Bodeninversionen treten ganzjährig auf, wobei sie in Wintermonaten kräftiger ausgebildet sind als in Sommermonaten. Sie entstehen durch Strahlungsabkühlung des Bodens, in wolkenarmen Nächten mit schwachem Wind. Tab.1 zeigt die Bodeninversionshäufigkeiten über Stuttgart, in Prozent.
0 Uhr 12 Uhr
0-200m 200-400m 400-700m >700m 0-200m 200-400m 400-700m >700m
Januar 61,3 10,7 11,7 16,3 33,2 21,1 22,5 23,2
Februar 51,7 10,4 8,1 29,7 15,8 18,8 17,3 48,1
März 61,3 5,8 8,2 24,7 5,8 9,8 20,4 64
April 71,2 4,5 4,2 20,1 0,8 4,8 11,2 83,3
Mai 76,1 4,2 5,3 14,4 1,6 2,7 10,5 85,2
Juni 78,1 6,4 4,1 11,2 1,6 2,8 10,2 85,4
Juli 81,3 3,4 3,1 12,2 0,4 3,5 13,2 82,9
August 81,5 6 2,3 10,1 1,1 5,5 13,6 79,9
September 89,4 2,2 3,4 5,1 5,2 15,7 15,4 63,7
Oktober 77,7 3,7 4,1 14,5 18,8 15,4 24,2 45,5
November 56,6 8,6 12,5 22,2 18,8 15,2 21,3 44,8
Dezember 53,7 10,5 12,6 23,1 30,6 19,6 15,8 34
Jahres-
mittel 70,2 6,4 6,6 16,8 11,4 11,5 16,5 60,6
Tab.1 Inversionshäufigkeit über Stuttgart (modifiziert, VDI, S.212)
Die Inversionsmächtigkeit liegt um Mitternacht allgemein in Höhen zwischen 0 - 200 Meter, was bedeutet, daß bei ausreichender Schornsteinhöhe keine hohen Schadstoffkonzentrationen in Bodennähe zu erwarten sind. Nach Sonnenaufgang wird die Lofting-Situation zur Fumigation-Situation umgewandelt, wenn die Bodeninversion abhebt und sich zu einer Höheninversion entwickelt.
Abb.9 soll den Sachverhalt verdeutlichen. Im unteren Teil der Abbildung ist eine Bodeninversion mit Obergrenze bei 150m dargestellt. Kraftfahrzeuge, Haushalte, Fabriken mit einer effektiven Schornsteinhöhe unter 150 Meter emittieren entsprechend der Fanning-Situation. Die Schadstoffe konzentrieren sich in den ersten 150 Meter der Atmosphäre und können , sollte diese Situation länger anhalten, zu hohen Konzentrationen führen. Wenn aber die Sonnenstrahlung im Laufe des Tages die bodennahen Schichten erwärmt, so wird die Inversionsschicht vom Erdboden abgehoben, wie im oberen Teil der Abbildung dargestellt. Im Gegensatz zur vorherigen Situation emittiert der mittel hohe Fabrikschornstein zwar immer noch in die Inversionsschicht hinein, die Schadstoffe erreichen aber nicht mehr den Erdboden. Die Schadstoffe der niedrigen Emittenten werden jetzt auf Grund der eingetretenen Labilisierung besser durchmischt, sind aber weiterhin durch die aufliegende Inversionsschicht nach oben hin in ihrer Ausbreitung begrenzt. Der hohe Fabrikschornstein emittiert in beiden Fällen über der Inversionsschicht und die Schadstoffe können durch die Inversionsschicht den Erdboden nicht erreichen. Im Laufe des Tages kann es passieren, daß die Inversionsschicht nicht aufgelöst wird, durch weitere Erwärmung des Erdbodens aber weiterhin empor gehoben wird. Dann werden die Schadstoffe aller Emittenten unterhalb der Inversionsschicht ausgestoßen und es ist die gefährliche Fumigation-Situation eingetreten, wie bereit in Abbildung 7 dargestellt.
Höheninversionen bilden sich bei Hochdruckwetterlagen aus oder entstehen, wenn Warmluft auf Kaltluftmassen aufgleitet. Eine sich unter Hochdrucksituation ausbildende Inversion wird als Absinkinversion bezeichnet. Hierbei sinken Luftmassen ab erwärmen sich dynamisch und können Höheninversionen ausbilden. Liegt ein Gebiet z.B. in den Herbst- oder Wintermonaten unter dem Einfluß von polaren Kaltluftmassen und nähert sich eine Warmfront von Westen, so kann es passieren, daß diese den Kaltluftberg nicht verdrängen kann und gleitet auf ihm auf. Auch in diesem Fall bildet sich eine Höheninversion aus, die je nach Wetterlage, längere Zeit anhalten kann. Die Folge ist eine erhöhte Schadstoffkonzentration in Bodennähe, entsprechend der Fumigation-Situation.
Abb.9
Verhalten von Schadstoffemissionen bei verschiedenen Inversionsschichtungen
(Baumbach, S.60)
Egal ob Boden- oder Höheninversion, beide Arten stellen eine Sperrschicht dar, die den vertikalen Austausch begrenzen. Ausschlaggebend für die Gefährlichkeit von Inversionen ist ihre Dauer und die Dicke der Mischungsschicht. Als Mischungsschicht bezeichnet man den Bereich zwischen Boden und Inversionsuntergrenze, der eine vertikale Ausbreitung zuläßt. Allgemein sind die Mischungsschichten im Winter kleiner als im Sommer, da die Atmosphäre dann kompakter und die Tropospause niedriger ist.
Zustände mit geringer Mächtigkeit der Mischungsschicht kann zu Smog-Situationen führen. Der Smog (Smoke + Fog) wird als Zustand großer Luftverschmutzung mit z.T. sichtbaren Luftverunreinigungen definiert. Nach heutigem Begriffsgebrauch wird der Begriff Smog auch dann benutzt, wenn kein Nebel vorhanden ist. Es werden prinzipiell zwei Arten Unterschieden, Wintersmog, als Folge einer Strahlungsinversion und photochemischer Smog, als Folge einer Absinkinversion. Eine Smog-Situation liegt nach der Mustervorschrift vom 8/9.11.84 der 23. Umweltministerkonferenz vor, wenn:
in einer Luftschicht, deren Untergrenze weniger als 700 m über dem Erdboden liegt, die Temperatur der Luft mit der Höhe zunimmt
die Windgeschwindigkeit in Bodennähe seit mehr als zwölf Stunden im Mittel weniger als 3 m/s beträgt
nach den meteorologischen Erkenntnissen des Deutschen Wetterdienst nicht auszuschließen ist, daß diese Wetterlage länger als 24 Stunden anhalten wird.
Die Bestimmung der Wettersituation erfolgt durch die Aufnahme eines vertikalen Temperaturprofils bis in eine Höhe von mindestens 1000 Metern. Smog-Alarm wird, selbst im Falle einer Inversion, erst ausgelöst, wenn bestimmte Grenzwerte von Schadstoffkonzentrationen überschritten werden.
Nach der o.a. Mustervorschrift entspricht eine Smog-Situation entweder der Lofting- oder der Fumigation-Situation.
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