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💨 Luftverschmutzungsausbreitung

Ein vereinfachtes Gaußsches Fahnenausbreitungsmodell: Emissionsrate, Windgeschwindigkeit, Schornsteinhöhe und atmosphärische Stabilitätsklasse bestimmen eine windabwärtige Bodenkonzentrationskurve im Vergleich zu einer veranschaulichenden Richtwert-Referenzlinie.

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Das Gaußsche Fahnenmodell

C(x) ≈ Q / (u·σy·σz·2π) × exp(−h²/(2σz²)) schätzt die Bodenkonzentration windabwärts einer Quelle. Q ist die Emissionsrate, u die Windgeschwindigkeit, h die Höhe der Quelle (des Schornsteins), und σy, σz sind die horizontale und vertikale Ausbreitung der Fahne — beide wachsen mit der windabwärtigen Entfernung x. Ein Bodenreflexionsterm (der die Konzentration verdoppelt) berücksichtigt, dass Schadstoffe am Boden zurückprallen, statt in ihn einzudringen.

Warum der Höchstwert nicht an der Quelle liegt

Bei einer erhöhten Quelle (h > 0) ist die Bodenkonzentration sehr nahe am Schornstein tatsächlich gering, weil sich die Fahne noch nicht bis zum Boden ausgebreitet hat (σz ist noch klein, wodurch der Exponentialterm winzig wird). Während die Fahne windabwärts wandert, wächst σz und die Fahne berührt den Boden, sodass die Konzentration steigt — und dann wieder fällt, da das stetig wachsende σy·σz dieselbe Gesamtmasse über eine größere Fläche verteilt. Das Ergebnis ist ein Höchstwert in einiger Entfernung windabwärts, nicht direkt unter dem Schornstein.

Stabilitätsklassen (veranschaulichend, im Stil von Pasquill–Gifford)

Die atmosphärische Stabilität bestimmt, wie schnell σy und σz mit der Entfernung wachsen. Klasse A (sehr instabil, typischerweise starke Sonneneinstrahlung und leichter Wind) verteilt Schadstoffe schnell und verdünnt die Fahne rasch. Klasse F (stabil, typischerweise ruhige, klare Nächte) verteilt sehr langsam, sodass Schadstoffe noch weit windabwärts konzentriert bleiben — das klassische Szenario der „Temperaturinversion“ hinter vielen schweren Smog-Episoden.

Über diese Simulation

Diese Simulation ist ein vereinfachtes Gaußsches Fahnenausbreitungsmodell, der klassische Lehrbuchansatz zur Abschätzung, wie sich ein aus einer Punktquelle (Schornstein, Kamin oder Entlüftung) freigesetzter Schadstoff windabwärts ausbreitet. Die Bodenkonzentration hängt von der Emissionsrate Q, der Windgeschwindigkeit u (die die Fahne verdünnt, indem sie sie schneller forttransportiert), der Quellhöhe h und der atmosphärischen Stabilitätsklasse ab, die bestimmt, wie schnell sich die Fahne während ihrer Wanderung vertikal und horizontal durchmischt. Die Einheiten auf der Konzentrationsachse sind zu Lehrzwecken normalisiert, keine echten µg/m³-Messwerte.

🔬 Was gezeigt wird

Eine blaue Kurve zeigt die geschätzte Bodenkonzentration gegenüber der windabwärtigen Entfernung, die typischerweise von einem niedrigen Wert nahe dem Schornstein zu einem Höchstwert (markiert mit einem pulsierenden gelben Punkt) ansteigt, bevor sie abklingt, während sich die Fahne verteilt. Eine gestrichelte rote Linie markiert einen veranschaulichenden Richtwert, lose angelehnt an die jährliche WHO-Richtlinie für PM2,5 von 5 µg/m³ (allerdings in normalisierten, nicht realen Einheiten).

🎮 Bedienung

Erhöhen Sie die Emissionsrate, um die gesamte Kurve nach oben zu skalieren, erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit, um sie zu verdünnen und abzusenken, und erhöhen Sie die Schornsteinhöhe, um den Bodenhöchstwert weiter windabwärts zu verschieben. Wechseln Sie die Stabilitätsklasse von A (sehr instabil, schnelle Ausbreitung) zu F (stabil, schlechte Ausbreitung), um zu sehen, wie eine ruhige, stabile Nacht Schadstoffe viel näher an der Quelle bei höheren Konzentrationen einschließt als ein windiger, instabiler Nachmittag.

💡 Wussten Sie schon?

Temperaturinversionen — wenn eine Schicht warmer Luft kühlere Luft (und Schadstoffe) nahe dem Boden einschließt — entsprechen in diesem Modell der stabilsten Klasse (F) und sind für viele der schlimmsten Smog-Episoden der Geschichte verantwortlich, weil sie die vertikale Durchmischung unterdrücken, die Schadstoffe sonst nach oben und weg verteilen würde.

Häufig gestellte Fragen

Warum liegt der Konzentrationshöchstwert windabwärts und nicht direkt an der Quelle?

Bei einem erhöhten Schornstein benötigt die Abgasfahne eine gewisse Strecke, um sich bis zum Boden auszubreiten. Sehr nahe an der Quelle ist die vertikale Ausbreitung σz noch gering, sodass erst wenig des Schadstoffs den Boden erreicht hat. Je weiter die Fahne wandert, wächst σz, mehr erreicht Bodenniveau, und die Konzentration steigt — bis die Fahne sich so weit ausgebreitet hat, dass dieselbe Schadstoffmenge über eine viel größere Fläche verdünnt wird und die Konzentration wieder fällt.

Was ist atmosphärische Stabilität, und warum ist sie so wichtig?

Atmosphärische Stabilität beschreibt, wie leicht sich Luft vertikal durchmischt. Instabile Bedingungen (starke Sonne, leichter Wind, aufsteigende warme Luft) mischen und verteilen Schadstoffe schnell; stabile Bedingungen (ruhige, klare Nächte mit einer Temperaturinversion) unterdrücken die vertikale Durchmischung und lassen Schadstoffe bei gleicher Emissionsrate näher am Boden in viel höheren Konzentrationen anfallen.

Sind die Konzentrationswerte in dieser Simulation echte µg/m³-Werte?

Nein. Dies ist ausdrücklich ein vereinfachtes, veranschaulichendes Lehrmodell — die Konzentrationsachse verwendet normalisierte relative Einheiten, keine gemessenen Mikrogramm pro Kubikmeter. Reale Luftqualitätsmodellierung erfordert detaillierte Emissionsinventare, meteorologische Daten und validierte Ausbreitungssoftware wie AERMOD.

⚙ Technische Details

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