Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper
ISSN 1650-6553 Nr 200
Utvärdering av svavel- och kvävedepositioner från
sjöfart: en modellstudie
Copyright © Ambjörn Andersson och institutionen för geovetenskaper, Luft- vatten- och landskapslära, Uppsala universitet.
Referat
Utvärdering av svavel- och kvävedepositioner från sjöfart:
en modellstudie
Ambjörn Andersson
Sjöfartsektorn är en betydande källa för svavel- och kväveutsläpp. Depositioner av oxiderat svavel, dvs. sulfat, och oxiderat kväve dvs. nitrat, i form av våt och torrdeposition bidrar till försurning och försämrad luftkvalitet. Styrmedel för att minska svavelutsläppen har under de senaste åren bidragit till minskade svavelutsläpp. Det har t.ex. införts begränsningar i hur mycket svavel som fartygsbränslen får innehålla.
För att studera sjöfartens utsläpp av svavel- och kväveföroreningar har vi i denna studie använt en kemisk transportmodell för atmosfären ”the Unified EMEP Model”, för att simulera utsläppsspridningen under 2005. Deposition av svavel- och kväveföreningar från sjöfart har på landsnivå jämförts med den totala depositionen från alla utsläppskällor i Europa. Studier har även gjorts av hur mycket svavel- och kväveföreningar som har deponerats i
Östersjöbassängen och dess omgivande länder från sjöfart i olika havsområden.
Resultaten visar att svavel- och kväveföroreningar deponeras med hög koncentration nära utsläppskällan. Dock sprids de även långt från källan, koncentrationerna minskar med ökade avstånd. Deposition i norra Europa från sjöfart är som störst nära stora hamnar, spår i
depositionsfälten syns även ut över Atlanten mot Amerika. Länder omgärdade av farvatten får högre koncentrationer relativt länder med mindre eller ingen sjötrafik i närheten.
För att studera hur skrovlighetslängden över hav påverkar spridningen av svavel har Charnock-parametern varierats mellan 0,00072 och 0,085. Studien visar ingen tydlig påverkan på spridningen pga. variationer i skrovlighetslängden. En förklaring till detta resultat kan vara, att upplösningen i modellen är för grov för att kunna studera de små variationer som uppstår i depositionsfältet på grund av olika skrovlighetslängder.
För att studera hur variationer i bl.a. nederbörd påverkar spridningen av svavel och kväve har månadsvis variation av svavel- och kvävedepositioner i Östersjön gjorts.
Nyckelord: atmosfärisk spridning, Charnock-parametern, deposition, kväve,
kvävedepositioner, sjöfartsemissioner, svavel, svaveldepositioner, the Unified EMEP Model, torrdeposition, våtdeposition.
Abstract
Evaluation of sulfur and nitrogen deposition from shipping: a model
study
Ambjörn Andersson
The shipping sector is a significant source of sulfur- and nitrogen-emissions. Depositions of oxidized sulfur and nitrogen i.e. sulfate and nitrate, in the form of wet and dry deposition contribute to acidification and deterioration of air quality. Political instruments to reduce sulfur emissions during the last years have contributed to the reduction of sulfur emissions, i.e. new instruments have been implemented in form of restrictions in sulfur content in ships fuel.
The shipping sector’s emissions of sulfur and nitrogen have been studied by using “the Unified EMEP Model”, a chemical atmospheric transport model, with data collected during the year 2005. The deposition of sulfur and nitrogen from shipping in different countries has been compared to the total deposition from all sources in Europe. Deposition of sulfur and nitrogen in the Baltic Sea and the countries in the in the draining basin from individual sea has also been studied.
The results have shown that deposition of sulfur and nitrogen is intense near the source. But it also spread far away from the source, however with decreasing concentrations in relation with distance to the source. Depositions in the north of Europe from shipping are highest near big ports and Clear tracks from shipping in the depositions field are obtained near big ports and also in the Atlantic and the Mediterranean Sea. Countries with longer coastline have higher concentrations than those with less or none sea traffic in the near region.
To study how roughness length over sea impacts the spread of sulfur the Charnock-parameter has been varied from 0,00072 to 0,085. The study doesn’t provide any clear findings of influence of the parameter in spread of sulfur. A theory to this result is the low resolution in the model. It is probably too small differences in the depositions field due to the roughness length.
Monthly variations of sulfur and nitrogen deposits in the Baltic Sea have been made in order to study how variations in such precipitation affect the distribution of sulfur and nitrogen.
Keywords: atmospheric dispersion, the Charnock-parameter, deposition, dry deposition, nitrogen, nitrogen depositions, shipping emissions, sulfur, sulfur depositions, The Unified EMEP Model, wet deposition.
Innehåll
1 Inledning och syfte ... 1
1.1 Inledning ... 1
1.1.1 Åtgärder att minska svavelutsläpp ... 2
1.2 Syfte ... 2 2 Teori ... 4 2.1 Grundläggande spridningsmeteorologi ... 4 2.2 Charnock-parametern ... 5 3 Metod ... 7 3.1 Modellbeskrivning ... 7
3.1.1 Domän och modellkoordinater ... 7
3.1.2 Ingående meteorologiska data ... 8
3.1.3 Emissioner ... 8
3.1.4 Torrdepositions beräkningar för gaser och aerosoler ... 9
3.1.5 Våtdeposition beräkningar ... 11
3.2 Jämförelse mellan EMEP-modellen och MATCH-Sverige ... 11
4 Resultat ... 13
4.1 Svaveldeposition i Europa ... 13
4.2 Bidrag till Östersjöns avrinningsområde ... 21
4.3 Charnock-parameterns påverkan på svavlets spridning ... 24
4.4 Säsongsvariationer ... 26
5 Diskussion och sammanfattning ... 30
6 Slutord ... 33
7 Referenser ... 34
8 Appendix A- Deposition av oxiderat svavel varje område från olika utsläppskällor ... 36
9 Appendix B- Deposition av oxiderat kväve varje område från olika utsläppskällor ... 37
1
1 Inledning och syfte
1.1 Inledning
De främsta orsakerna till försurning är utsläpp av svavel- och kväveföreningar i form av svaveldioxid och kvävedioxid. Den största orsaken till utsläpp av svaveloxider till atmosfären är förbränning av olika svavelhaltiga ämnen som t.ex. olja och kol. De överlägset största utsläppskällorna för kväveoxid är transporter, förbränning inom industrin samt uppvärmning av bostäder (Statens Energimyndighet Eskilstuna 2003). Svaveldioxider omvandlas till svavelsyra, kväveoxiderna kan omvandlas till salpetersyra. Både svavelsyra och salpetersyra bidrar till försurning och ger mycket allvarliga och omfattande konsekvenser på miljön på lång och kort sikt (Karlsson 1996). Försurningen bidrar till att tungmetaller som t.ex. aluminium frigörs och kan tas upp av skog och mark. Tungmetallerna påverkar skogens tillväxt på ett negativt sätt och känsliga djur och växtarter skadas både på land och i hav (Statens Energimyndighet Eskilstuna 2003).
Kvävedioxiderna bildas till största delen genom att luftens kväve oxideras vid förbränning, kväve från bränslen bidrar till viss del. Svaveldioxider bildas genom oxidation av svavel i bränslen. Kväveoxider som kan innehålla en eller två syreatomer reagerar med hydroxidjoner, syrgas eller vatten och bildar salpetersyra. Reaktionsvägen för svavel är att svaveldioxiden oxideras till svaveltrioxid för att sedan reagera med vatten och bilda svavelsyra. Dessa reaktioner sker både i gasform och för det svavel som är löst i vatten.
Utsläpp av svaveloxider och kväveoxider påverkar växters rotutveckling, bladens
cellmembran, vaxskikt och klyvöppningar på ett negativt sätt. Detta kan leda till att växterna får en ökad känslighet för vatten- och näringsbrist. Motståndskraften mot vissa växtsjukdomar och parasiter kan minska vid exponering av luftföroreningar. Klyvöppningarna hos barrträd är mer känsliga än vad lövväxter är. Dessa mycket giftiga och korrosiva gaser kan orsaka
korrosion på byggnader, kulturmonument och andra konstruktioner. Även människan drabbas i form av luftvägsbesvär vid höga halter av svavel (Karlsson 1996).
Nästan 70 % av utsläppen från fartyg sker inom 400 km från kusten, vilket leder till
försämrad luftkvalitet för kustområdena. Dock kan utsläppen från fartyg transporteras flera hundratals kilometer och orsaka försämrad luftkvalitet över land (Winebrake et al. 2009) Åtgärder för att minska svavelutsläppen har varit mycket framgångsrika. Utsläppen av svavel i Sverige har i det närmaste halverats de senaste tio åren se Figur 1. Det har funnits relativt enkla åtgärder att genomföra, övergång från bränslen med höga svavelhalter till låg
svavelhalt, både för fordon och för uppvärmning. Svavelskatten har haft till betydelse att industrin har minskat sina processutsläpp. De miljörelaterade farledsavgifterna har haft
betydelse för sjöfartens utsläpp. Den dominerande utsläppskällan för transportsektorns utsläpp av svavel är den nationella sjöfarten men även dess utsläpp har minskat de senaste tjugo åren (Naturvårdsverket 2007).
2
Figur 1 Trend av årliga utsläpp av SO2 i kiloton från olika källor inom Sverige
Naturvårdsverket 2007 .
Emissioner i form av koldioxid ökar växthuseffekten medan fartygsutsläpp i form av svaveldioxid har en kylande effekt och motverkar växthuseffekten. Kväveoxider ger ökade halter av ozon men minskade halter av metan. Ökande halter av ozon ger en värmande effekt på atmosfären medan minskningen av metan ger en kylande effekt på atmosfären.
Nettoeffekten av emissionerna från fartygssektorn ger en stark negativ inverkan på nettostrålningen vilket leder till en kylande effekt (Fuglestvedt et al. 2009). Reducerade utsläpp av svavel kommer att ge ett signifikant bidrag till ökad hälsa (Winebrake et al. 2009).
1.1.1 Åtgärder att minska svavelutsläpp
Gränsvärden för svavelhalt i marina bränslen antogs av International Maritime Organization (IMO) 2008. Dessa nya regler gäller för Östersjön, Nordsjön och Engelska kanalen, det så kallade SECA området (Sulphur Emission Control Area). Gränsvärdet för svavelhalt i marina bränslen sänks den 1 januari 2015 till 0,1 viktprocent från en nivå som fram till 30 juni 2010 var 1,5 viktprocent. Mellan 1 juli 2010 och 2015 gäller 1,0 viktprocent. Det globala
gränsvärdet för svavelhalt i marinabränslen sänks från 4,5 viktprocent (2009) till 0,5
viktprocent år 2020, senast 2025 beroende på tillgång av lågsvavligtbränsle. Ett mellansteg i gränsvärdena om 3,5 viktprocent införs 2012 (Sjöfartsverket 2009).
1.2 Syfte
Syftet med denna studie är att undersöka hur emissioner från sjöfart sprids i atmosfären. Emissioner från sjöfart innehåller ett flertal olika ämnen som påverkar miljön såsom
3
kväveoxid, kolmonoxid, ozon, hydroxid, svaveldioxid, salpetersyra och sulfat (Endresen et al. 2003). Denna studie är inriktad mot svavel- och kväveutsläpp. Syftet med att använda en modell är att fylla i luckorna mellan observationer både rumsligt och tidsmässigt.
För att studera spridningen av dessa emissioner har den atmosfäriska spridningsmodellen ”The Unified EMEP Model”, hädanefter kallad EMEP-modellen från European Monitornig and Evaluation Program (EMEP) valts. För att kunna göra en bedömning om hur stor andel av svavlet i atmosfären som kommer från sjöfarten görs en jämförelse med de totala utsläppen av svavel i atmosfären. De områden som har valts är de som innefattas av EMEP-modellens område, se Figur 2, med tyngdpunkten på Östersjöområdet.
Känsligheten hos modellen har studerats genom att variera en av modellparametrarna. För att utvärdera Charnock-parameterns inflytande har en delstudie med extremvärden på parametern utvärderas. Detta har gjorts eftersom modellen saknar våginformation och antar ett konstant värde på parametern.
4
2 Teori
2.1 Grundläggande spridningsmeteorologi
Den process som gör att luftburna partiklar och gaser tas upp vid marken kallas deposition och delas in i torrdeposition och våtdeposition. Våtdeposition definieras som när en gas eller aerosol löses i vätskedroppar i atmosfären och ibland även verkar som kondensationskärnor, för att sedan falla ned som nederbörd. Torrdeposition definieras som när partiklarna eller gaser transporteras ned till marken av gravitationskraften eller med turbulensen i atmosfären. Densiteten hos partiklarna påverkar hur snabbt de faller ned till jordytan. Tyngre partiklar med större massa faller ned snabbare än lätta. Partiklar med liten massa kan färdas långa sträckor med hjälp av vinden. För lätta partiklar och gaser är de turbulenta rörelserna i atmosfären en viktig process.
När det råder stabil siktning atmosfären motverkas alla vertikala rörelser i atmosfären. Den mekaniska turbulensen minskar vilket ger liten vertikal spridning av utsläppta ämnen. Ämnen i ett luftpaket kan spridas långa sträckor utan att koncentrationen av ämnena i luftpaketet påverkas i större utsträckning. När ett inversionsskikt finns i atmosfären bildar det ett lock för utsläpp som sker under inversionsskiktet vilket ger att koncentrationerna blir högre under inversionen än vad de skulle bli utan inversion. Likaså hindrar inversionen ämnen på högre höjd att spridas nedåt genom turbulens, fallande partiklar påverkas inte.
Gränsskiktet är det skikt närmast jordytan där, inte allt för kortlivade, föreningar blandas effektivt med resultat att koncentrationen är tämligen konstant i vertikalled. Detta skikt kan vara mycket tunt vid stark strålningsinversion och flera km tjockt i höjdled vid kraftig konvektiv omblandning på eftermiddagar. Översidan av gränsskiktet utgörs vanligtvis av ett inversionsskikt. Tjockleken av gränssiktet varierar med vädersituationen, vid instabil
skiktning blir blandningsdjupet som störst och kan nå upp till ca 1 500 m höjd från markytan. Även kraftig vind kan ge upphov till högt gränsskikt. Vid svag vind och stabil skiktning blir gränssikts höjd som lägst. När det råder markinversion eller kraftigt stabil skiktning vid marken blir markkoncentrationerna högre.
Spridningsförloppet påverkas av utsläppshöjden då det tar en viss tid för substansen att nå marknivån. Utsläpp på hög höjd sprids över ett större område jämfört med utsläpp som sker på en lägre nivå. När avståndet från utsläppskällan ökar kommer blandningens betydelse att öka och utsläppshöjden förlorar sin betydelse för koncentrationen vid marken.
Effektiviteten hos våtdepositionen av en förorening bestäms av de mikrofysikaliska och kemiska processer som reglerar upptaget av föroreningar i moln- och regndroppar samt frekvensen och intensiteten av nederbördstillfällena.
Upptaget av gaser i moln och i regndroppar bestäms av gasens löslighet och av kemiska och fysikaliska processer i regndropparna. Transporten av gasen till regndropparna eller till
5
molnen sker i allmänhet snabbt. Jämvikt i ett moln råder mellan koncentrationen i dropparna och koncentrationen i luften runtomkring. När en regndroppe faller genom ett förorenat skikt kommer de gasformiga luftföroreningarna att lösas in i droppen. Tiden det tar att nå jämvikt bestäms av droppens storlek, gaskoncentrationen i luften och gasens löslighet. Fallsträckan som krävs för en droppe att ta upp en svårlöslig gas är ett par meter innan jämvikt råder mellan koncentrationerna i och utanför droppen. Detta ger att när en regndroppe med en viss koncentration når marken motsvarar det koncentrationen i de lägsta skikten av luften. Detta innebär att det går att beräkna våtdepositionen vid markytan utifrån känd koncentration i luften.
Tillskillnad mot gaser verkar partiklar som kondensationskärnor vid våtdeposition, dvs. fukt som finns i luften kondenseras på partiklarna. Ett exempel på effektiva kondensationskärnor är sulfatpartiklar. Det går att räkna med ett nästan totalt upptag i vattendroppar vid
molnbildning. I de fall där molnen avdunstar återgår partiklarna till luften. Om regndropparna slås samman och faller ned som regn transporteras partiklarna bort från atmosfären och faller ned till marken.
2.2 Charnock-parametern
Vid modellering av atmosfären är det helt avgörande att gränsvillkoren är rätt beskrivna, då gränsskiktet är en källa för turbulens och har en stor betydelse för utbyte av rörelsemängd, värme och fukt. En stor skillnad mellan land och hav är att havsytan inte är en solid yta utan förändras beroende på vinden. Detta gör havet kan vara en källa för rörelsemängd där det kan ske en transport av rörelsemängd från havet till atmosfären, över en solid yta sker transporten av rörelsemängd alltid nedåt i atmosfären. Det marina gränssiktet kan starkt påverka
simuleringar av atmosfären då havet täcker 70 % av jordens yta (Carlsson et al. 2009). För att beräkna skrovlighetslängden z0 över hav används den dimensionslösa
skrovlighetslängden Charnock-parametern α (Charnock 1955) definition enligt:
1
Där z0 är skrovlighetslängden,
/
är friktionshastigheten, g tyngdaccelerationen och u, v, w är vindkomponenterna i x-, y- och z-led.
Vågorna kan delas in i vindrivna vågor, blandad sjö och dyning. Vindrivna vågor är växande ung sjö som byggs upp av lokala vindar och definieras som cp/U10 < 0,8 och har en låg fashastighet cp och där U10 är vinden på meters höjd. Blandad sjö definieras som 0,8 < cp/U10
< 1,2 och kan ha både låg och hög fashastighet. Blandad sjö kan ha skapats både av lokala vindar samt vågor som kommer från platser med högre vindhastigheter. Dyning är gamla vågor som har bildats av att det tidigare blåste på platsen eller att vågorna färdats från en
6
annan avlägsen plats det blåser. Dyning definieras som cp/U10 > 1,2 och har en hög fashastighet.
Vid växande sjö transporteras rörelsemängd från atmosfären och skapar vågor, vid dyning sker en transport av rörelsemängd från vågorna till atmosfären. Under vinddriven sjö är vågorna mer eller mindre en funktion av den lokala vindhastigheten och riktningen, dyning är långa vågor och behöver inte vara i fas med den lokala vinden. Dyningen påverkar den turbulenta strukturen i luftströmningen ovanför, minskar skrovligheten och Charnock-parametern (Carlsson et al. 2009).
I denna studie används två värden på Charnock-parametern, för växande sjö 0,085 (Nordeng 1991) och för dyning 0,00072 (Carlsson et al. 2009).
7
3 Metod
För att kunna studera svavel- och kväveemissionernas spridning från fartygstrafik har spridningsmodellen The Unified EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) Model använts, likaså data som har samlats av programmet. Huvudsyftet med EMEP-programmet är att ge information till myndigheter om koncentrationer, depositioner av luftföroreningar i Europa. Information om hur betydelsen av spridning och i vilken utsträckning detta sker samt att ge drivdata till andra modeller (Simpson et al. 2006).
3.1 Modellbeskrivning
3.1.1 Domän och modellkoordinater
EMEP -modellen är en spridningsmodell som används för att modellera spridning av ämnen i atmosfären. Upplösningen är ca 50 x 50 km2 med 20 vertikala nivåer så kallade sigma (σ) -nivåer. Koordinatsystemet är av sigma-typ där luftrycket på en viss modellnivå relateras till marktryck enligt ekvation (2). Modellen använder sig av polar-stereografisk projektion vid 60⁰ se Figur 2.
ä (2)
Trycket på σ -nivåer ges av p, ps är trycket vid markytan och pt är trycket vid modellens övre
gräns som är vid 100 hPa. Atmosfären delas upp i 20 vertikala intervall med indexering k från k=1 vid toppen av atmosfären och k=20 vid markytan.
Figur 2 EMEP- modellens domän och EMEP-gridden (Efter: http://www.emep.int).
8
3.1.2 Ingående meteorologiska data
Som meteorologiska data använder EMEP-modellen data från PARLAM-PS, en version av HIRLAM (High Resolution Limited Area Model) med en upplösning på 3 timmar fördelat utifrån ett 3-dimensionellt dataset från observationer. Information om koncentrationer av luftföroreningar samlas in av EMEP:s mätstationer och presenteras bl.a. i form av
månadsmedelvärden. Data för ett år från HIRLAM beräknas för ett år bakåt i tiden. De data som används i EMEP sammanfattas i Tabell 1.
Tabell 1 Ingående meteorologiska data i EMEP‐modellen från PARLAM‐PS.
Storhet Används till
Horisontal vind Specifikfukt Vertikalvind Potentiell temperatur Molntäcke Nederbörd Marktryck Temperatur
Flöde av sensibelt värme Skjuvspänning vid ytan Flöde av latent värme
Advektion
Kemiska reaktioner, Torrdeposition Vertikal advektion
Kemiska reaktioner, diffusion pga.
avvikelser från den storskaliga strömningen Spridning via molnen, fotolys
Torr- och våtdeposition Markluftens densitet Torrdeposition, stabilitet Torrdeposition, stabilitet Torrdeposition, stabilitet Torrdeposition
Modellen har en eulersk struktur där beräkningarna sker på samma punkt i rummet för varje tidsteg. För att kunna användas så stort tidsteg som möjligt utan att få en instabil numerisk lösning, beräknas längden på varje tidsteg inför varje gång. Den maximala längden på ett tidsteg beror av storleken på griddrutorna och vindhastigheten. Beräkningar av
solinstrålningen sker i varje tidssteg för att användas vid beräkningar av depositionshastighet och fotolys. Solinstrålningen beräknas med hjälp av solinstrålningens vinkel och av hur molntäcket set ut. Vid beräkningar av molntäcke tas det hänsyn till molnhöjd dvs. hur stor del av varje lager som är täckt av moln. Vid marknivå (nivå 20) är molntäcket lika med det maximala molntäcket av de andra nivåerna ovanför.
3.1.3 Emissioner
Emissionerna i EMEP-modellen av t.ex. svaveldioxid, kväveoxider, ammoniak uppdelade i 11 kategorier utifrån olika utsläppskällor definierade i Tabell 2. De 10 första kategorierna
innehåller olika typer av antropogena utsläppskällor, den elfte kategorin ”Övriga källor och sänkor” utgörs till största delen innehåller emissioner från naturligt och biogeniska källor t.ex. vulkaner och dimetylsulfid (DMS). Även kväveoxider som bildas vid blixtnedslag är
9
Tabell 2 Definition av de olika utsläppskategorierna i EMEP‐modellen. Förbränning vid energiproduktion och inom processindustri
Icke kommersiella förbränningsanläggningar Tillverkningsindustrin
Produktionsprocesser
Utvinning och distribution av fossila bränslen och geotermiskenergi Lösningsmedel och andra produkter
Vägtransport
Övriga mobila källor och maskiner Avfallshantering och deposition Jordbruk
Sjöfart
Övriga källor och sänkor
Fritidsbåtar är inte inkluderad i kategorin sjöfartsemissioner utan tillhör kategorin övriga mobila källor. Emissioner för sjöfart är uppdelad i olika kategorier utifrån om det är lastfartyg eller färjor, om de är över eller under 12 m samt om de kommer från EU länder eller från övriga världen (Simpson et al. 2003). I denna studie har båda kategorierna används tillsammans för att studera det totala utsläppet från sjöfart.
3.1.4 Torrdepositions beräkningar för gaser och aerosoler
Depositionsberäkningarna skiljer sig åt beroende på om ämnet i fråga är i form av gas eller i form av partikel. Kväveoxiderna NO och NO2 är i form av gaser. Det oxiderade svavlet i
form av SO2 är en är en gas medan jonerna SO42- och NO3- är i form av saltaerosoler i
atmosfären.
Över en specifik landyta beräknas förlusthastigheten för en viss typ av gas eller partikel i inuti en enhetsvolym med höjden Δz till ytan under, ges av produkten av depositionshastigheten vg
på höjden zref och koncentrationen Ci enligt:
∆ 3
Depositionshastigheten vg för en aerosol definieras enligt:
4
Ra är den aerodynamiska resistansen mellan zref och zo+d, d är nollplansförskjutningen och zo
skrovlighetslängden som över hav är en funkton av vindhastigheten och vågålder enligt ekvation (1). Detta gör att en förändring av Charnock-parametern påverkar
depositionshastigheten. Rb det kvasilaminära lagrets resistans för gasen i, det kvasilaminära
lagret är ett tunt lager allra närmast ytan som i stort set är fritt från turbulens, vs är
10
5
Där Rc är ytans resistans för gasen i, Obukhov längden L beräknas enligt:
6
ρ är luftens densitet, cp den specifika värmekapaciteten för luft, T2 temperaturen på 2 m höjd,
k är von Karmans konstant, g tyngdaccelerationen, H flöde av sensibelt värme, är
friktionshastigheten enligt:
ln Ψ Ψ
Error! Bookmark not defined.
u är vindhastigheten på höjden zref, ψm är similaritetsfunktionen för rörelsemängd. Då
friktionshastigheten beror av skrovlighetslängden så kommer även friktionshastigheten att påverkas vid en förändring av Charnock-parametern. Den aerodynamiska resistansen för värme mellan nivåerna z1 och z2 beräknas enligt:
, , 7
ψh är similaritetsfunktionen för värme. Den kvasilaminära lagrets resistans beräknas över hav
för en gas enligt:
ln Error! Bookmark
not defined.
Där Di är den molekylära diffusiviteten för gasen i som är ett mått på hur snabbt den spontana
spridningen sker. För partiklar över hav beskrivs det kvasilaminära lagrets resistans med hjälp av bristande bubblor enligt:
8
Där αbb är arean av de bristande bubblorna, vi är impaktionshastigheten, den hastighet som en
gas eller partikel tendera att fortsätta rakt fram med när den omgivande gasströmmen svänger detta p.g.a. att den är tyngre än den omgivande gasen. vw beskriver hur långtid det tar för
gasen att ta sig ur bubblorna och vb diffusionshastigheten orsakad av molekylernas Brownska
11
√ 9
där C är en konstant. Sc är Schmidttalt som är ett dimensionslöst tal som definieras som kvoten mellan viskositeten och diffusionen av massa. Reynoldstal definieras av
/ .
Den kinematiska viskositeten för luft beräknas enligt:
10 / 10
Där St är Stokes tal som beskriver hur partiklarna rör sig.
3.1.5 Våtdeposition beräkningar
Parametrisering av våtdeposition i EMEP-modellen inkluderar både den som sker inuti molnen och den som sker i nederbörden under molnen.
För lösning i molndroppar beräknas löslighetskomponenten C för både partiklar och gaser enligt:
å 11
Där Win är lösningsgraden, Δz är lösningsdjupet, ρw är vattnets densitet och P är
nederbördsintensiteten. Lösning av en gas i en regndroppe utanför ett moln beräknas enligt:
å 12
Där wsub är lösningsgraden för gasen utanför molnen. För lösning i regndroppar utanför ett
moln beräknas löslighetskomponenten för en aerosol enligt:
å 13
Där A är en empirisk koefficient, Vdr är fallhastigheten för regndropparna och beskriver hur
effektivt en regndroppe tar upp en aerosol beroende på dess storlek.
3.2 Jämförelse mellan EMEP-modellen och MATCH-Sverige
Studier har gjorts för jämförelse mellan EMEP-modellen och SMHI:s (Sveriges
Meteorologiska och Hydrologiska Institut) spridningsmodell MATCH-Sverige vilket visat att MATCH-Sverige ger för den totala mängden svavel som deponeras i Sverige 5 % högre värden än EMEP för år 2000. För totaldepositionen av oxiderat kväve ger MATCH-Sverige 15 % lägre värden än EMEP-modellen. Den största orsaken till dessa skillnader i
12
totaldeposition är orsakade av olikheter vid beräkningar av koncentrationer i luft och nederbörd som är orsakade av den långväga föroreningstransporten (Persson et al. 2004).
13
4 Resultat
Resultaten som nedan presenteras har erhållits med hjälp av simuleringar med EMEP-modellen för året 2005.
4.1 Svaveldeposition i Europa
Figur 3 visar hur de olika haven samt länderna kring Östersjön är definierade i EMEP-modellen.
Figur 3 Definition av olika länder och hav i EMEP‐modellen. Figur 4 visar hur total våtdeposition av oxiderat svavel är fördelad över Europa med emissioner från alla kategorier enligt Tabell 2. Resultatet visar att koncentrationen i olika griddpunkter varierar mellan 0 och 8 900 mgS/m2. De högsta koncentrationerna är i östra Europa där reningen av svavel från industrierna inte har kommit lika långt som i de västra delarna och att kol fortsatt avvänds i stor utsträckning i kolkraftverk till skillnad från i väst där de gamla bränslena har ersatts med alternativa mer miljövänliga bränslen. Den höga
koncentrationen vid Italiens sydspets och Sicilien kommer av att vulkanen Etna hade ett utbrott under perioden. I jämförelse med Centraleuropa är det betydligt lägre koncentrationer av svavelföroreningar i Skandinavien och på de Brittiska öarna.
15 30 45 15 30 45 Östersjön Nordsjön Nordosrtatlanten Medelhavet Svartahavet Sverige Finland Estland Lettland Litauen Polen Danmark 0 2 4 6 8 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
14
Figur 4 Depositionsfält för våtdeposition av oxiderat svavel från samtliga emissionskällor i Europa, koncentrationen varierar mellan 0 och 8 900 mgS/m2.
Figur 5 visar våtdepositionen av oxiderat svavel från sjöfart i Östersjön, Nordsjön, Nordostatlanten, Medelhavet och Svarta havet. Griddpunkternas koncentration varierar mellan 0 till 390 mgS/m2. Höga koncentrationer ses nära kusterna i Europa samt i ett västligt
stråk ut över Atlanten. Nära stora hamnar t.ex. i Nordsjön och Östersjön förekommer höga koncentrationer av svavel från sjöfart. De högsta koncentrationerna av svavel från sjöfarten är över hav nära utsläppskällan, för att sedan avta med avståndet från utsläppskällan.
[m g S /m 2 ] 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
15
Figur 5 Depositionsfält för våtdeposition av oxiderat svavel från sjöfart kring Europa, koncentrationen varierar 0 till 390 mgS/m2.
Figur 6 visar hur torrdepositionen för oxiderat svavel är fördelat från alla Europeiska källor som ingår i modellen. Resultaten varierar mellan 0 och 2 300 mgS/m2. En signifikant skillnad mellan torrdepositionen och våtdepositionen är att torrdepositionen har stora rumsliga
variationer medan våtdepositionen är mer jämt utspridd. T.ex. syns det tydliga spår från sjöfartens utsläpp av svavel över hav.
[m g S /m 2 ] 5 10 20 50 100 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
16
Figur 6 Depositionsfält for torrdeposition av oxiderat svavel från samtliga emissionskällor i Europa, koncentrationen varierar mellan 0 och 2 300 mgS/m2.
Figur 7 visar resultaten för torrdeposition av oxiderat svavel från sjöfart. Sjöfarten påverkar luftkvaliteten till största del på havet och i dess närområden. Värdena ligger mellan 0 och 1 400 mgS/m2. Spår av sjöfarten syns även ute på öppet hav. I Medelhavet är det höga
depositioner av svavel i de västra delarna närmast Atlanten, för att sedan minska i nordöstlig riktning och samtidigt spridas ut åt flera håll, vilket tyder på att in i Medelhavet följer
sjöfarten en och samma farled för att sedan dela upp sig beroende destinationerna.
[m g S /m 2 ] 5 10 20 50 100 200 500 1000 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
17
Figur 7 Depositionsfält för torrdeposition av oxiderat svavel från sjöfart kring Europa,
koncentrationen varierar mellan 0 och 1 400 mgS/m2.
Figur 8 visar hur totala våtdepositionen av oxiderat kväve är fördelad över Europa. Resultatet visar att koncentrationen i de olika griddpunkterna varierar mellan 0 och 640 mgN/m2. Till skillnad mot svavlet är koncentrationerna av oxiderat kväve även höga i Centraleuropa jämförda med det oxiderade svavlet som har högst koncentrationer i de östra delarna av Europa. Orsaken till detta är att kväveoxider kommer bl.a. från transporter, förbränning i industrin samt uppvärmning av bostäder. Då transportsektorn är en stor utsläppskälla för kväveoxider och det är vanligare med bilar i väst Europa ger detta högre halter av kvävedioxider i väst än i öst. [m g S /m 2 ] 5 10 20 50 100 200 500 1000 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
18
Figur 8 Depositionsfält för våtdeposition av oxiderat kväve från samtliga emissionskällor i Europa, koncentrationen varierar mellan 0 och 640 mgN/m2.
Figur 9 visar våtdepositionen av oxiderat kväve från total sjöfart och varierar från 0 till 150 mgN/m2. Resultatet tyder på att utbredningen av oxiderat svavel och kväve är snarlika dock med olika koncentrationer. Höga koncentrationer syns i första hand vid Nordsjön, vid den västeuropeiska kusten samt i Medelhavet. Liksom svavlet har kvävet högst koncentrationer över hav nära utsläppskällan men når även in över land med lägre koncentrationer.
[m g N /m 2 ] 5 10 20 50 100 200 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
19
Figur 9 Depositionsfält för våtdeposition av oxiderat kväve från sjöfart kring Europa, koncentrationen varierar 0 till 150 mgN/m2.
Figur 10 visar torrdepositionen av totalt oxiderat kväve koncentrationen varierar från 0 till 520 mgN/m2. De högsta koncentrationerna ses i Italien och Tyskland till skillnad från oxiderat svavel som har höga koncentrationer längre öster ut, med undantag för Polen som har höga koncentrationer i båda fallen. En förklaring till denna skillnad är att svavelutsläppen till stor del kommer från industrier med dålig rening t.ex. kol och oljekraftverk i de östra delarna av Europa, samtidigt som kol och olja inte används i de västra delarna i lika stor utsträckning. Kväveoxiderna som i första hand kommer av utsläpp från trafik både över land och över hav har högst koncentrationer i väst då biltätheten är högre i väst jämfört med östra delarna av Europa. [m g N /m 2 ] 5 10 20 50 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
20
Figur 10 Depositionsfält för torrdeposition av oxiderat kväve från samtliga emissionskällor i Europa, koncentrationen varierar 0 till 520 mgN/m2.
Figur 11 visar torrdepositionen för oxiderat kväve från sjöfart. Värdena varierar mellan 0 och 290 mgN/m2. En väsentlig skillnad mellan torrdepositionen av oxiderat kväve och oxiderat svavel är att kvävet inte visar lika tydliga spår över hav efter sjöfarten jämfört med svavlet. Torrdepositionen av svavel visar tydliga spår efter sjöfart i depositionsfältet genom att ha höga koncentrationer i första hand i farleder inom Europa men även i stråk som går i östvästligriktning ut över Atlanten. På dessa ställen syns inga tydliga spår i kvävets torrdepositionsfält. Svavel och kväve har olika depositionshastigheter eftersom det
kvasilaminära lagrets resistans och ytans resistans för kväve och svavel är olika (Voldner et al. 1986). Det innebär att svavel och kväve hinner spridas olika långt innan ämnena
deponeras. [m g N /m 2 ] 5 10 20 50 100 200 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
21
Figur 11 Depositionsfält för torrdeposition av oxiderat kväve från sjöfart runt omkring Europa, koncentrationen varierar 0 till 290 mgN/m2.
4.2 Bidrag till Östersjöns avrinningsområde
De olika länderna och haven som är definierade i Figur 3 är indelas i griddrutor. Depositionen per land och hav beräknas genom att koncentrationen per ytenhet multipliceras med ytan på en gridd och alla griddrutor inom respektive land och hav summeras. För de griddrutor som bara delvis ligger inom ett land eller havsområde, tas den relevanta andelen av griddrutan och därefter utförs samma beräkningar och tillför det land eller som hav griddrutan täcker. T.ex. en griddyta ligger till 40 % inom ett land, 40 % av griddytans totala deposition räknas till det landet.
Tabell 3 visar hur mycket oxiderat svavel som har deponerats i Östersjön under 2005, både totalt från alla källor från sjöfart i de olika haven och var för sig. Depositionen av svavel är beroende av avståndet från utsläppskällan. När avståndet från utsläppskällan ökar minskar koncentrationerna. Vid jämförelse av hur stor andel som torrdeponeras relativt våtdeponeras går det att se en tydlig skillnad mellan närbelägna och avlägsna utsläppskällor. Detta kan ses vid en jämförelse av hur stor andel av det svavel som deponeras i Östersjön som kommer från sjöfart i närbelägna farvatten t.ex. Östersjön och Nordsjön jämfört med de som ligger en bit bort t.ex. Medelhavet och Svarta havet. Närmast utsläppskällan dominerar torrdepositionen, vilket även kan ses i depositionsfälten i figurerna ovan. En bit bort från utsläppskällan
[m g N /m 2 ] 5 10 20 50 100 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
22
deponeras i stort sett lika stor andel av svavlet torrt som vått. Vid ytterligare ökat avstånd från utsläppskällan ökar våtdepositionens betydelse jämfört med torrdepositionen.
Tabell 3 Deposition av oxiderat svavel i Östersjön. Totalt Total Sjöfart Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön Sjöfart i Nordöstra Atlanten Sjöfart i Medelhavet Sjöfart i Svarta Havet Torrdep (Ton) 69 000 36 000 33 000 2 900 73 11 2,1 Våtdep (Ton) 61 000 11 000 6 700 3 600 380 240 22 Totaldep (Ton) 130 000 47 000 40 000 6 500 460 250 24
Tabell 4 visar hur mycket oxiderat kväve som har deponerats i Östersjön. Antagandet
angående avståndets betydelse för depositionen av kväve förhåller sig på samma sätt som för svavlet, d.v.s. att närmast utsläppskällan dominerar torrdepositionen för att sedan övergå till att våt och torr deposition har ungefär lika stor betydelse. När avståndet ökar ytterligare blir våtdepositionen dominerande. Tabell 4 Deposition av oxiderat kväve i Östersjön. Totalt Total Sjöfart Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön Sjöfart i Nordöstra Atlanten Sjöfart i Medelhavet Sjöfart i Svarta Havet Torrdep (Ton) 47 000 8 300 5 400 2 700 180 19 3,8 Våtdep (Ton) 32 000 5 400 2 800 2 200 280 130 8,2 Totaldep (Ton) 79 000 14 000 8 200 4 900 450 150 12
I Figur 12 framgår hur stor andel av den totala mängden oxiderat svavel som deponeras i de olika områdena som härrör från total sjöfart. Resultatet är fördelat per land. Ur figuren går det att dra slutsatsen att länder med lång kusträcka i jämförelse med dess landarea får högre andel svavel som härrör från sjöfart, i jämförelse med länder som har kortare kuststräcka och mer landarea med större avstånd till kusten. Ett exempel är Danmark som har lång kuststräcka i förhållande till landets storlek i jämförelse med t.ex. Estland. Dock spelar det även roll hur mycket svavel som kommer från andra källor vilket är en av orsakerna till att t.ex. Polen har en liten andel som kommer från sjöfarten. Detta beror till största delen på att en stor mängd svavel släpps ut i Polen och inte på att det deponeras mindre svavel från sjöfart.
23
Figur 12 Andel av deponerat oxiderat svavel som härrör från total sjöfart jämfört med totala mängden svavel fördelat per område för våt-, torr- respektive totaldepositionen.
Figur 13 visar hur stor andel av det oxiderade kvävet som härrör från sjöfart jämfört med den totala mängden oxiderat kväve som deponeras i ett land eller över ett område. Kväveutsläppen visar en tydlig likhet med svavelutsläppen. Länder som omges av mycket hav i förhållande till landets area har hög andel kväve jämfört med länder som har landarea som ligger långt från havet. I Sverige är det en väsentlig skillnad mellan deposition från sjöfart mellan svavel och kväve. Sjöfarten bidrar med en större andel deponerat svavel som i Sverige och Danmark jämfört med kväve deposition. Orsaken till detta är att Sveriges utsläpp av svavel är relativt låga jämfört med utsläpp av oxiderat kväve. Stora skillnader mellan andel deponerat svavel och kväve kan även ses i Östersjön. Sjöfartens andel till oxiderat svavel i Östersjön är nästan dubbelt så stort jämfört med oxiderat kväve.
Sverige Finland Estland Lettland LitauenDanmark Polen Östersjön 0 10 20 30 40 50 60 % Våt Torr Total
24
Figur 13 Andel av deponerat oxiderat kväve som härrör från total sjöfart jämfört med totala mängden kväve fördelat per område för våt-, torr- respektive totaldepositionen.
4.3 Charnock-parameterns påverkan på svavlets spridning
För att studera hur det modellerade torrdepositionsfältet av oxiderat svavel påverkas av Charnock-parametern i modellen har en känslighetsstudie med två extremfall gjorts. Detta har gjorts då modellen inte innehåller någon våginformation utan värdet på Charnock-parametern antas vara konstant. För dyning har värdet 0,00072 (Carlsson et al. 2009) använts och för växande sjö hr värdet 0,085 (Nordeng 1991) använts. Figur 14 visas kvoten mellan det modellerade torrdepositionsfältet där värdet 0,085 på Charnock-parametern har använts, och det modellerade torrdeposition fältet där värdet 0,00072 på Charnock-parametern har använts. De utsläppskällor som har använts är från sjöfart i alla havsområden som finns med i
modellen. Kvoten ligger i intervallet 0,9987 till 1,0159. Största skillnaden syns i Östersjön där avståndet till land är relativt litet. Minsta skillnaden är över hav där avståndet från land är som störst.
Sverige Finland Estland Lettland LitauenDanmark Polen Östersjön 0 10 20 30 40 50 60 % Våt Torr Total
25
Figur 14 Kvot mellan de modellerade torrdepositionsfälten för oxiderat svavel från sjöfart kring Europa för två simuleringar med olika två värden på Charnock-parametern (α) α =0,085 och α =0,00072.
Figur 15 visar fördelningskurvan för kvoten de modellerade torrdepositionsfälten för oxiderat svavel, torrdeposition fältet där värdet 0,085 har använts, dividerat med torrdeposition fältet där värdet 0,00072 på har använts visas i Figur 15. Figuren visar att kvotvärdena strax under 1 samt 1 är de vanligaste. Denna kvot är så pass nära 1 att slutsatsen blir att
26
Figur 15 Fördelningskurva för kvoten av torrdepositionsfälten för oxiderat svavel från sjöfart kring Europa för två simuleringar med olika två värden på Charnock-parametern (α) α =0,085 och α =0,00072.
4.4 Säsongsvariationer
Följande resultat har erhållits genom att studera hur mycket svavel och kväve som har deponerats i Östersjön per månad. Detta har jämförts med nederbördsfälten för samma månader. Figur 16 visar modellerad ackumulerad nederbörd fördelat per månad.
0.998 1 1.002 1.004 1.006 1.008 1.01 1.012 1.014 1.016 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-3 Kvot R e la ti vf re kv e n s
27
Figur 16 Månadsvis modellerad nederbörd över Östersjön.
Figur 17a visar månadsvis våtdeposition av oxiderat svavel som har deponerats i Östersjön under 2005, dels från samtliga utsläppskällor men även från den totala sjöfarten i Europa. Våtdepositionen är beroende av nederbörd vilket gör att en variation i nederbörd ger en variation i hur mycket svavel som våtdeponeras. Dock kan även koncentrationen i nederbörden variera. Den totala våtdepositionen är som högst vintertid när
uppvärmningsbehovet är som störst. Våtdeposition av oxiderat svavel från sjöfart deponeras i mindre mängder under april, september och oktober då även den totala våtdepositionen av svavel var mindre. Detta kan kopplas till nederbördsmängden, under dessa tidsperioder kom det små mängder nederbörd jämfört med övriga månader under året enligt Figur 16.
Figur 17b visar hur mycket oxiderat svavel som har torrdeponerats i Östersjön fördelat per månad från de totala utsläppen i Europa samt den totala sjöfarten i Europa. Den totala
torrdepositionen är störst under vinterhalvåret då det är som kallast och uppvärmningsbehovet är som störst. Torrdepositionen från den totala sjöfarten i Europa är i stort sett konstant dock med lite mindre mängd deponerat under mars, september och oktober, detta kan bero på mindre sjötrafik under dessa månader.
Figur 17c visar hur mycket oxiderat svavel som har våtdeponerats i Östersjön fördelat per månad från sjöfart i Östersjön och sjöfart i Nordsjön. Våtdepositionen från sjöfart i Östersjön visar mindre mängder under april, september och oktober då även den totala våtdepositionen av svavel var mindre. Detta kan kopplas till nederbördsmängden, under dessa tidsperioder föll små mängder nederbörd jämfört med övriga månader under året enligt Figur 16.
Jan Feb Mars April Maj Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dec 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 10 7 [m m ]
28
Figur 17d torrdepositionen från sjöfart i Östersjön och Nordsjön. är i stort sett konstant dock med lite mindre mängd deponerat under februari och mars, vilket kan bero på mindre sjötrafik under dessa månader. Torrdepositionen av svavel från sjöfart i nordsjön har högre värden under januari samt mellan augusti och december. En möjlig förklaring till detta kan vara att vindförhållandena under denna tidsperiod kan ha varit i riktning från Nordsjön mot Östersjön eller av minskade utsläpp från sjöfart.
Figur 17 Månadsvis variation för deposition i Östersjön av oxiderat svavel, a, våtdeposition från alla källor och total sjöfart, b, torrdeposition från alla källor och total
sjöfart c, våtdeposition från sjöfart i Östersjön, Nordsjön d, torrdeposition från sjöfart i Östersjön, Nordsjön
Figur 18a visar den månadsvisa variationen för våtdeposition av oxiderat kväve från samtliga utsläppskällor samt för den totala sjöfarten i Europa. Under vinterhalvåret visar
våtdepositionen från sjöfart av oxiderat kväve lägre värden relativt sommarhalvåret. Totala mängden oxiderat kväve våtdeponeras i mindre mängder under mars, april och september, oktober, detta stämmer väl överens med den månadsvisa ackumulerade nederbörden enligt Figur 16, som under dessa månader var lägre jämfört med de andra månaderna under året. Figur 18b visar hur mycket oxiderat kväve som har torrdeponerats i Östersjön fördelat per månad från de totala utsläppen i Europa samt total sjöfart i Europa. En signifikant skillnad mellan torrdepositionen av svavel och kväve från sjöfart är att depositionen av oxiderat kväve från dessa utsläppskällor har en större variation under året. Kvävet deponeras i större mängd under sommarhalvåret jämfört med under vinterhalvåret. Den totala depositionen av oxiderat kväve deponeras i stora mängder under hela året att jämföra med svavel som deponeras mest under vinterhalvåret. En tänkbar orsak kan vara transportsektorns utsläpp av kväve, då det på
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 2000 4000 6000 8000 Månad [t o n S ] a Totalt Total sjöfart
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 2000 4000 6000 8000 10000 Månad [t o n S ] b Totalt Total sjöfart
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 200 400 600 800 Månad [t onS ] c Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Månad [t onS ] d Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön
29
sommaren sker fler transporter. De höga värdena under hösten och vintern i de totala
utsläppen av kväve kommer från energisektorn då uppvärmning behovet är större under denna period.
Figur 18c visar att våtdepositionen av oxiderat kväve från sjöfart i Östersjön och i Nordsjön har de högsta värdena under sommarhalvåret. Under vinterhalvåret var våtdepositionen från sjöfart av oxiderat kväve lägre jämfört med under sommarhalvåret. Totala mängden oxiderat kväve våtdeponeras i mindre mängder under mars, april och september, oktober, detta stämmer väl överens med den månadsvisa ackumulerade nederbörden enligt Figur 16, som under dessa månader var lägre jämfört med de andra månaderna under året.
Figur 18d visar torrdepositionen av oxiderat kväva från sjöfart i Östersjön och Nordsjön. En signifikant skillnad mellan torrdepositionen av svavel och kväve från sjöfart i Östersjön och Nordsjön är att depositionen av oxiderat kväve från dessa utsläppskällor har en större variation under året. Kvävet deponeras i större mängd under sommarhalvåret jämfört med vinterhalvåret.
Figur 18 Månadsvis variation för deposition i Östersjön av oxiderat kväve, a, våtdeposition från alla källor och total sjöfart, b, torrdeposition från alla källor och total
sjöfart c, våtdeposition från sjöfart i Östersjön, Nordsjön d, torrdeposition från sjöfart i Östersjön, Nordsjön
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Månad [t o n N ] a Totalt Total sjöfart
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 1000 2000 3000 4000 Månad [t o n N ] b Totalt Total sjöfart
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 100 200 300 400 500 600 700 Månad [t onN ] c Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön
Feb April Juni Aug Okt Dec
0 200 400 600 800 1000 1200 Månad [t onN ] d Sjöfart i Östersjön Sjöfart i Nordsjön
30
5 Diskussion och sammanfattning
I detta arbete har emissioner av svavel och kväveföroreningar från sjöfart i Europa studerats med hjälp av ”The Unified EMEP Model” med data från år 2005. Data från ett år möjliggör inte en bedömning av hur representativa resultaten är t.ex. påverkar temperaturen under vintern och variationer i sjöfartens intensitet från år till år hur mycket svavel och kväve som släpps ut i atmosfären.
Resultatet tyder på att sjöfarten har störst påverkan på luftkvaliteten över havet och dess närområden. Svavel- och kväveföroreningar sprids i låga koncentrationer över stora områden, överensstämmelser finns med resultat av t.ex. (Winebrake et al. 2009). Koncentrationen är starkt beroende av avståndet från utsläppskällan. De länder som omgärdas av mycket vatten i förhållande till landets area t.ex. Danmark påverkas i större utsträckning av sjöfarten i
jämförelse med länder med mindre kust i förhållande till landets storlek.
Över Atlanten syns tydliga spår i form av depositioner efter sjöfart som går i öst-västlig riktning till och från stora hamnar i Europa. Den största delen av svavelföroreningarna deponeras nära utsläppskällan. Det finns även stråk med höga koncentrationer av svavel från sjöfart som går inom Europa. Detta syns tydligast i torrdepositionen då torrdeposition ger en mer lokal påverkan än vad våtdepositionen ger.
Avseende kväveutsläpp går det inte att se lika tydliga spår över öppet hav i depositionsfältet från sjöfart. Inom Europa finns tydliga spår av kväveutsläpp från sjöfart men avståndet till utsläppskällan spelar mindre roll för kväveutsläpp jämfört med svavelutsläpp. Svavel och kväve har olika depositionshastigheter då det kvasilaminära atmosfäriska resistenserna är olika för svavel och kväve detta ger att depositionshastigheten blir olika för de båda ämnena. Resultatet av detta blir att kvävet och svavlet spridas olika långt bort från utsläppskällan innan de deponeras.
Jämförelse mellan de totala depositionsfälten för svavel- och kvävedepositioner visar att svaveldepositionerna har högst koncentrationer i de östra delarna av Europa och kväve har högre koncentrationer i väst. En förklaring till detta är att stora källor för svavelutsläpp som förbränning kol och olja vanliga är energikällor i öst, oftast med underutvecklad
reningsteknik. Kväveoxider har trafiken som största utsläppskälla och den högre biltätheten väst ger högre depositioner av kväveoxider än i öst.
Resultaten visar att sjöfart är en betydande källa för kväve- och svavelutsläpp. Om det arbete som pågår för att reducera svavelhalten i sjöfartsbränslen ger resultat så kommer det ha en betydande roll när det gäller att minska svaveldepositionerna i Europa. Detta i sin tur leder till bättre kustmiljö och minskade försurningsproblem. Då det är kvävet i luften som oxideras och bildar kväveoxider går det inte att på samma sätt som för svavlet minska halten i bränslet för att reducera utsläppen.
Två olika scenarier för sjöfart har studerats med olika värden på Charnock-parametern. För dyning har värdet 0,00072 använts och för vindrivna vågor 0,085. Resultaten visar att det inte
31
går att dra några slutsatser om att skrovligheten över hav skulle påverka spridningen av svavel. En orsak till denna marginella skillnad hos spridningen av svavel kan bero på upplösningen i modellen. För att få resultatet som visar på att svavlet sprids olika i de två scenarierna måste koncentrationsskillnader i svavlets depositionsfält uppstå, dvs. olika koncentrationer i motsvarande griddrutor för de olika scenarierna. Lokala skillnader i fälten inom griddrutorna syns inte i modellen. Med en modell som har högre upplösning skulle det antagligen gå att se en större skillnad mellan de olika värdena på parametern. De största skillnaderna i depositionsfältet är över hav, vilket tyder på att skrovligheten endast har en lokal påverkan på spridningen.
Det är ett samband mellan variationen över året av total torrdeposition av oxiderat svavel och variationen av temperaturen. Under de kalla månaderna när uppvärmningsbehovet är som störst är även den totala torrdepositionen av svavel som högst. Analogt är den som lägst under sommaren. Torrdepositionen av oxiderat svavel från sjöfart i Östersjön är i stort sett konstant över året med en något mindre mängd under februari och mars. Denna variation kan ha orsakats av en variation i emissioner från sjöfart. Utsläpp från sjöfart i Nordsjön har högst värden från sensommaren till vintern, detta kan dels ha orsakats av en variation av utsläppen från sjöfarten, men även vindförhållandena kan ha påverkat.
Vinterhalvåret visar de högsta depositionerna av oxiderat svavel för både den totala våt- och torrdepositionen. Den totala mängden våtdeponerat svavel varierat till en högre grad än torrdepositionen under sommarhalvåret. Denna skillnad orsakas av att det har kommit olika mängd nederbörd under perioden. Våtdepositionen av oxiderat svavel från sjöfart i Nordsjön och Östersjön varierar i större utsträckning jämfört vad torrdepositionen från samma
utsläppskällor gör. Denna variation orsakas också av variationer i nederbörden. De lägsta koncentrationerna från sjöfarten i dessa områden är under samma perioder som för den totala våtdepositionen, detta orsakat av liten nederbörds mängd.
Torrdeposition av oxiderat kväve deponeras i hög grad även under sommaren till skillnad mot svavel. En anledning kan vara personbilstrafiken är tätare transportsektorns och bidrag av oxiderat kväve. Under sommaren sker det fler transporter än under vintern. Under
vinterhalvåret bidrar uppvärmning till svavlet och kväveutsläpp.
En anmärkningsvärd skillnad mellan torrdeposition av oxiderat svavel och oxiderat kväve från sjöfart är att torrdepositionen av oxiderat kväve i Östersjön visar en större variation under året, detta gäller både för utsläpp från sjöfart i Östersjön och från sjöfart i Nordsjön.
Säsongsvariationen för våtdeposition av oxiderat kväve från sjöfart i Östersjön och Nordsjön varierar i stort sätt under året på samma vis som våtdeposition av svavlet från dessa
utsläppskällor dock med olika amplituder. Den totala våtdepositionen av oxiderat kväve har en variation som liknar den för våtdepositionen av svavel dock med mindre amplitud, med högst värden vintertid när det är som kallast och uppvärmnings behov av bosstäder är som störst. Under hösten då torrdepositionen visar högre depositioner av oxiderat kväve är den totala våtdepositionen av kväve lägre, lika som för svavlet, detta pga. att det föll lite
nederbörd under denna period. Våtdepositionen från sjöfart i Östersjön samt våtdepositionen från sjöfart i Nordsjön, visar lägre värden under september och oktober.
32 Sammanfattningsvis:
• Sjöfarten är en stor utsläppskalla av svavel- och kväveföreningar i atmosfären • Svavel- och kväveutsläpp påverkar mest utsläppskällans närområde men sprids över
stora områden med minskande koncentration i förhållande till avstånd från utsläppskällan
• Sjöfarten avsätter tydliga spår över hav i svavlets depositionsfält till skillnad från kvävet som sprids ut över ett större område
• Torrdepositionen av oxiderat kväve och svavel från sjöfart varierar mindre under året jämfört med våtdepositionen
33
6 Slutord
Först och främst vill jag tacka mina två handledare Björn Carlsson och Anna Rutgersson för ett stort engagemang, all tid de har lagt ner med att sätta upp modellen, svarat på alla mina frågor, kommit med tips och idéer som har gjort det möjligt att genomföra detta
examensarbete. Samt Erik Nilsson för hjälp med färgskalan på figurerna. Jag vill även rikta ett tack till alla mina klasskompisar för trevligt sällskap. Detta examensarbete har genomförts med data från EMEP- programmet och med hjälp av EMEP- modellen. De datorresurser som använts för att modellera resultatet har används på SNIC via Uppsala Multidisciplinary Center for Advanced Computer Science (UPPMAX) under projektet p2009053: Atmosphere
34
7 Referenser
Carlsson, B, Rutgersson, A & Smedman, A-S 2009, 'Impact of swell on simulations using a regional atmospheric climate mode', Tellus, vol 61, no. 4, pp. 527-538.
Charnock, H 1955, 'Wind stress on a water surface', Quart. J. Roy. Meteor. Soc, vol 81, pp. 639-640.
Endresen, Ø, Sørgård, E, Sundet, JK, Dalsøren, SB, Isaksen, ISA, Berglen, TF & Gravir, G 2003, 'Emission from international sea transportation and environmental impact', Journal of
geophysical research, vol 108, no. D17, pp. 1-22.
Fuglestvedt, J, Berntsen, T, Byring, V, Isaksen, I, Lee, DS & Sausen, R 2009, 'Shipping Emission: From Cooling to Warming of Climate-and Reducing Impacts on Healt',
Environmental Science & Technology, vol 43, no. 24, pp. 9057-9062.
Karlsson, S 1996, Kompendium i atmosfärens kemi en översikt över några aktuella problen, Andra reviderade upplagan edn, Uppslala universitet Meteorologiska instutitionen, Uppsala. Naturvårdsverket 2007, 'Bara naturlig försurning Bilaga 3 Konsekvensanalys av förslag till nedlagt delmål för utsläpp av svaveldioxid', Naturvårdsverket, ISBN 978-91-620-5780-0.pdf ISSN 0282-7298, Stockholm.
Nordeng, TE 1991, 'On the Wave Age Dependent Drag Coefficient and Roughness Length at Sea', Journal of Geophysical Research, vol 96, no. C4, pp. 7176-7174.
Persson, C, Ressner, E & Klein, T 2004, 'Nationell miljöövervakning MATCH-Sverige modellen Metod- och resultatsammanställningför åren 1999-2002 samt diskussionav osäkerheter, trender och miljömål', SMHI, Nr 113.
Simpson, D, Fagerli, H, Hellsten, S, Knults, JC & Westling, O 2006, 'Comparison of modelled and monitored deposition fluxes of sulphur and nitrogen to ICP-forest sites in Europe', Biogeosciences, vol 3, pp. 337-355.
Simpson, D, Fagerli, H, Jonson, JE, Tsyro, S, Wind, P & Tuovinen, J-P 2003, 'Transboundary Acidification, Eutrophication ind Ground Levle Ozone PART 1 Unifed EMEP Model
Description.', Norwegian Meteorological Institute.
Sjöfartsverket 2009, 'Konsekvenser av IMO:s nya regler för svavelhalt i maritimt bränsle', 72 sidor, Sjöfartsverket 0601-08-03406, Norrköping.
Statens Energimyndighet Eskilstuna 2003, 'Miljöläget', Energiläget, pp. 45-50.
Winebrake, JJ, Corbett, JJ, Green, EH, Lauer, A & Eyring, V 2009, 'Mitigating the Health Impacts of Pollution from Oceangoing Shipping: An Assessment of Low-Sulfur Fuel Mandates', Environ. Sci. Techno, vol 43, no. 13, p. 4776–4782.
35
Voldner, EC, Barrie, LA & Sirois, A 1986, 'A literature review of dry deposition of oxides of sulphure and nitrogen with emphasis pn long-range transport modelling on North America',
36
8 Appendix A- Deposition av oxiderat svavel varje område från olika utsläppskällor
Utsläppskälla Område Sverige Finland Estland Lettland Litauen Danmark Polen Östersjön
Alla utsläppskällor Torr(ton) 24 000 13 000 4 700 6 600 8 200 9 400 120 000 69 000
Våt(ton) 43 000 38 000 10 000 16 000 19 000 9 300 160 000 61 000
Totalt(ton) 67 000 51 000 15 000 22 000 27 000 19 000 280 000 130 000
Sjöfart i Östersjön Torr(ton) 5 100 1 800 1 200 740 480 3 400 1 900 33 000
Våt(ton) 4 700 2 800 680 800 810 830 3 000 6 700
Totalt(ton) 9 800 4 700 1 800 1 500 1 300 4 200 4 900 40 000
Sjöfart i Nordsjön Torr(ton) 2 600 190 66 110 87 1 800 700 2 900
Våt(ton) 4 000 1 300 330 410 420 1 500 2 800 3 600
Totalt(ton) 6 600 1 500 400 520 510 3 300 3 500 6 500
Sjöfart i nordöstra Torr(ton) 110 43 3,8 5,3 4,7 34 41 73
Atlanten Våt(ton) 600 260 38 49 56 150 340 380 Totalt(ton) 710 300 42 54 60 180 380 460 Sjöfart i Torr(ton) 6,9 2,2 1,3 3,2 4,6 2,3 66 11 Medelhavet Våt(ton) 170 81 39 73 81 34 750 240 Totalt(ton) 180 83 40 77 85 36 820 250 Sjöfart i Torr(ton) 1,6 0,7 0,5 1,0 0,8 0,2 7,1 2,1
Svarta havet Våt(ton) 11 13 5,5 8,9 9,2 1,0 80 22
37
9 Appendix B- Deposition av oxiderat kväve varje område från olika utsläppskällor
Utsläppskälla Område Sverige Finland Estland Lettland Litauen Danmark Polen Östersjön
Alla utsläppskällor Torr(ton) 37 000 25 000 6 400 9 600 11 000 9 200 70 000 47 000
Våt(ton) 38 000 25 000 6 000 9 200 8 400 6 700 58 000 32 000
Totalt(ton) 75 000 50 000 12 000 19 000 19 000 16 000 130 000 79 000
Sjöfart i Östersjön Torr(ton) 3 700 1 900 710 920 740 790 2 300 5 400
Våt(ton) 2 300 1 200 350 460 490 360 1 600 2 800
Totalt(ton) 6 000 3 100 1 100 1 400 1 200 1 100 3 900 8 200
Sjöfart i Nordsjön Torr(ton) 2 700 9000 220 290 310 1 100 1 800 2 700
Våt(ton) 3 700 830 240 390 330 1 300 1 800 2 200
Totalt(ton) 6 500 1 700 460 680 640 2 400 3 600 4 900
Sjöfart nord östra Torr(ton) 440 200 32 48 44 90 240 180
Atlanten Våt(ton) 340 150 29 37 39 100 240 280 Totalt(ton) 780 340 60 86 84 190 480 450 Sjöfart i Torr(ton) 30 13 4,1 9,2 13 5,9 160 19 Medelhavet Våt(ton) 96 55 23 43 49 17 450 130 Totalt(ton) 130 68 27 52 62 22 580 150 Sjöfart i Torr(ton) 5,2 4,0 1,6 2,7 2,5 0,6 18 3,8
Svarta havet Våt(ton) 4,4 5,7 2,0 3,4 4,0 0,5 29 8,2
38
10 Appendix C- Månadsvis nederbörd
Figurerna nedan visar månadsvis nederbörd.
Figur 19 Total nederbörd för januari 2005 vilket varierar mellan 0 och 490 mm
[m m ] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
39
Figur 20 Total nederbörd för februari 2005 vilket varierar mellan 0 och 350 mm
Figur 21 Total nederbörd för mars 2005 vilket varierar mellan 0 och 550 mm
[mm] 0 50 100 150 200 250 300 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
40
Figur 22 Total nederbörd för april 2005, variation 0 och 620 mm
Figur 23 Total nederbörd för maj 2005, variation 0 och 780 mm
[mm] 0 100 200 300 400 500 600 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 [mm] 0 100 200 300 400 500 600 700 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
41
Figur 24 Total nederbörd för juni 2005, variation 0 och 1 000 mm
Figur 25 Total nederbörd för juli 2005,variation 0 och 550 mm
[mm] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
42
Figur 26 Total nederbörd för augusti 2005, variation 0 och 700 mm
Figur 27 Total nederbörd för september 2005, variation 0 och 870 mm
[mm] 0 100 200 300 400 500 600 700 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 [mm] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
43
Figur 28 Total nederbörd för oktober 2005,variation 0 och 900 mm
Figur 29 Total nederbörd för november 2005, variation 0 och 420 mm
[mm] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75 [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
44
Figur 30 Total nederbörd för december 2005,variation 0 och 380 mm [mm] 0 50 100 150 200 250 300 350 -60 -45 -3 0 -15 0 15 30 45 60 30 45 60 75
![Om barocken i Norden. Red. Kristina Malmio. Meddelanden från avdelningen för nordisk litteratur, Nordica. Helsingfors universitet [1999]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)