User:Prof. Dr. Schenk

AUSTAL2000

Ein Prolog von Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Schenk

Mit Inkrafttreten der neuen TA Luft im Jahre 2002 wurde in Deutschland das Ausbreitungsmodell AUSTAL2000 zur Modellierung und Berechnung der Ausbreitung von Luftschadstoffen für verbindlich erklärt. AUSTAL2000 ist ein Partikelmodell, welches wie auch andere Modellentwicklungen auf der numerischen Lösung der Differenzialgleichung des Stofftransportes beruht. Die Besonderheit von numerischen Lösungen gegenüber analytischen Verfahren besteht darin, dass es sich dabei um keine geschlossenen analytischen Funktionen, sondern um Näherungslösungen handelt, welche neben anderen funktionalanalytischen Nachweisen, wie z.B. Konsistenz, Konvergenz und Stabilität, zu validieren sind. Aus diesem Grunde werden in der für die Bundesrepublik Deutschland gültigen VD Richtlinie 3945, Blatt 3, von den Autoren des AUSTALs 2000 (Plasmaphysiker L. Janicke, Diplomarbeit in Bibliotheken der Bundesrepublik Deutschland nicht registriert, Dissertation 1970 „Ein Verfahren zur numerischen Berechnung toroidaler Gleichgewichtskonfigurationen von rotationssymmetrischen freien Plasmen“ und Atomoptiker U. Janicke, Diplomarbeit 1993 „Bewegung von Atomen in Lichtfeldern“, Dissertation 1997 „Von klassischer zu nichtklassischer Atomoptik: ein Modell für eine laserartige Atomquelle“) für ausgewählte Ausbreitungsfälle Referenzlösungen angegeben. Sie sollen letztlich die Anwendungsfähigkeit dieses Partikelmodells belegen. Bei dieser Modellentwicklung handelt es sich nicht wie bei überzeugenden Algorithmen üblich um das Ergebnis einer anspruchsvollen universitären Forschung mit nachfolgender akademischer Graduierung, sondern um ein über 35 Jahre hinweg durch das Umweltbundesamt Deutschland aufwendig gefördertes außeruniversitäres Forschungsergebnis. Die angegebenen Referenzlösungen werden auch für weitere Ausbreitungsalgorithmen anderer Autoren der Folgezeit in Deutschland für verbindlich erklärt. Sie sind ein unverzichtbares Instrumentarium zur Entwicklung aller numerischen Algorithmen und von einem erheblichen Gewicht. Aus diesem Grunde und wegen der hohen Verbindlichkeit dieses Ausbreitungsmodells für den anlagenbezogenen Immissionsschutz in Deutschland ist das Beschäftigen mit den Referenzlösungen des AUSTAL`s2000 unerlässlich und rechtfertigt jeden Aufwand. Dabei zeigt sich aber, dass sämtliche Referenzlösungen fehlerhaft sind. Ein Einzelbeispiel genügt für den Nachweis.

Bereits schon kurz nach Veröffentlichung melden sich Kritiker zu Wort und bezweifeln die Richtigkeit der Referenzlösungen, wie beispielsweise die Graphik nach Bild D10 der VDI Richtlinie 3945, Blatt 3. Um diese Graphik korrekt interpretieren zu können, muss man wissen, dass in der Theorie der Ausbreitung von Luftschadstoffen u.a. zwischen konvektiven und konduktiven Transportmechanismen unterschieden wird. Unter einem konvektiven Transport versteht man das Mitführen von Luftschadstoffen durch das Strömen von Luft in der freien Atmosphäre. Der konduktive Transport hingegen erklärt die Bewegung von Luftbeimengungen als Folge vorhandener Konzentrationsunterschiede. Während beim konvektiven Transport die Bewegungsrichtung von Luftbeimengungen durch das beeinflussende Geschwindigkeitsfeld bestimmt ist, folgen konduktive Stoffströme den vorhandenen Konzentrationsgradienten. Nach dem II. Hauptsatz der Thermodynamik zeigt die Richtung des konduktiven Transports dem Konzentrationsgradienten entgegen, . Ist der konduktive Stoffstrom in den Boden gerichtet, so bezeichnet man diese Art des Stoffstromes als Deposition. Die Luftbeimengung wird im Boden aufbewahrt. Die zu diesen Überlegungen zutreffende Graphik ist im Abschnitt D2.2 „Trockene Deposition mit Sedimentation“ zu finden. Das „Vertikalprofil der Konzentration bei Sedimentation … ohne Deposition“ soll für diesen Ausbreitungsfall die zugehörige Referenzlösung beschreiben. Die Besonderheit „ohne Deposition“ wäre zutreffend, wenn am Boden ein verschwindender Konzentrationsgradient zu beobachten wäre, was aber nicht der Fall ist. Der Konzentrationsgradient ist negativ, wonach sich ein Depositionsstrom aus dem Boden heraus in Richtung freier Atmosphäre und wegen der Massenkonstanz als konduktiver Stoffstrom fortsetzen müsste. Solche Absonderlichkeiten werden aber in der Natur nicht beobachtet und können experimentell nicht nachgewiesen werden. Die beschriebene Graphik widerspricht somit sämtlichen Lehrmeinungen über die Ausbreitung von Luftschadstoffen. So müsste sich beispielsweise auch die Schadstoffquelle im Boden befinden. Üblicherweise werden aber Luftschadstoffe auch nur in der Luft frei gesetzt. Die Existenz von Bodenschadstoffen, welche tief liegend im Erdreich frei gesetzt werden und sich dann in der Atmosphäre ausbreiten, ist offensichtlich nur den Autoren des AUSTAL2000 bekannt. Die Bodenkonzentration wird für diesen Fall in Janicke L (2000) mit 1100,6 µg/m³ angegeben. Wegen der fehlerhaften Gleichung (D5) erhält man hierfür auch keine Bestimmungsgleichung, weshalb diese trügerisch und trickreich ermittelt wird. Die zugehörige Berechnungsgleichung hält man verborgen. Auch die Graphik D11 für den Ausbreitungsfall „Vertikalprofil der Konzentration bei Deposition mit …Sedimentation …“ ist fehlerhaft. Die Quellhöhe soll dort „...200m...“ betragen, jedoch lässt die Graphik die Wirkung einer hoch gelegenen Punktquelle nicht erkennen. Was die beschriebene Deposition betrifft, so kann man mit dem bereits schon beschrieben Wissen leicht herausfinden, dass diese ebenfalls nicht frei von Fehlern ist. Der Konzentrationsgradient am Boden ist identisch Null, womit sich auch kein Depositionsstrom ergeben kann. Auch diese Darstellung widerspricht der für dieses Beispiel zutreffenden Voraussetzung „… bei Deposition…“.

Kritiker haben diese und alle weiter erkannten Widersprüchlichkeiten den Autoren des AUSTAL2000 bereits im Jahre 2003 vorgetragen und um Aufklärung gebeten. Mit dem Hinweis, eine hervorgehobene Beauftragung durch die Behörde erhalten zu haben, werden alle Einwände herablassend und hochmütig abgewiesen. Durch sachkundige Umweltingenieure wird im Jahre 2014 erneut auf verschiedene Unzulänglichkeiten des AUSTAL2000 aufmerksam gemacht, was zu einer vertieften Beschäftigung mit dieser Modellentwicklung führt. Die Ergebnisse hierzu werden in der Zeitschrift Immissionsschutz nach Schenk (2015) veröffentlicht, worauf in der gleichen Zeitschrift 14 Amtsträger, vereidigte Gutachter, Sachverständige, Unterstützer, Verwaltungsarbeiter und andere Protagonisten heftig protestieren. In Trukenmüller et 13alii. (2015) kann darüber nachgelesen werden. In der Folgezeit entwickelt sich ein weitläufiger Meinungsaustausch zwischen Kritiker und Behörde. Man beschwört, sie mögen doch den Auffassungen der Autoren des AUSTAL2000 folgen und verstrickt sich dabei immer tiefer in genierliche Widersprüche. Zwischenzeitlich hat sich auch die Behörde in das Copyright des AUSTAL2000 eintragen lassen. Dass die Behörde aber so mit der Autorität ihres Amtes allen Einwänden zu AUSTAL2000 begegnen möchte, wird aber nicht behauptet. Zugleich wird noch im Jahre 2015 die Redaktion der Zeitschrift Immissionsschutz ausgewechselt. Weitere Veröffentlichungen zu AUSTA2000 werden abgelehnt. Andere Untersuchungen fördern in die Öffentlichkeit, dass man schon in Axenfeld etal (1984) Sedimentation und Deposition fehlerhaft beschreibt. Nach den Vorstellungen der Autoren dort soll sich depositionsfähiges Material in einer auf der Erdoberfläche stehende Säule befinden und danach verloren gehen.

Die Lebensgeschichte des AUSTAL2000 ist noch nicht vollständig ergründet. Es handelt sich zunächst nur um einen Prolog. Der Epilog wird noch zu erarbeiten sein. In Schenk (2018) werden aber soweit bekannt die Hintergründe und Irrungen dieser Modellentwicklung weitestgehend vollständig beschrieben. Zusammengefasst liest man die Schlussfolgerung, dass das Ausbreitungsmodell AUSTAL2000 nicht validiert und zur Berechnung von Schadstoffausbreitungsvorgängen nicht geeignet ist. Deposition, Sedimentation und Immission werden fehlerhaft berechnet. Man versteht unter Deposition Verlust und nicht Aufbewahren. Für die Gesundheit und Sicherheit bedeutsame Aussagen, wie z.B. Sicherheitsanalysen und Gefahrenabwehrpläne, sind mit physikalisch begründeten Modellentwicklungen zu überprüfen.

Quellennachweis:

Axenfeld F, Janicke L, Münch J (1984) Entwicklung eines Modells zur Berechnung des Staubniederschlages. Umweltforschungsplan des Bundesministers des Innern Luftreinhaltung, Forschungsbericht 104 02 562, Dornier System GmbH Friedrichshafen, Im Auftrag des Umweltbundesamtes

Janicke L (2000) IBJparticle, Eine Implementierung des Ausbreitungsmodells. Bericht IBB Janicke

Schenk R (2018) Deposition means storage and not loss, Environ Syst Res (2018) 7:16

Schenk R (2015) AUSTAL2000 ist nicht validiert. Immissionsschutz 01.15, S. 10–21

Trukenmüller A, Bächlin W, Bahmann W, Förster A, Hartmann U, Hebbinghaus H, Janicke U, Müller WJ, Nielinger J, Petrich R, Schmonsees N, Strotkötter U, Wohlfahrt T, Wurzler (2015) Erwiderung der Kritik von Schenk an AUSTAL2000 in Immissionsschutz 01/2015. Immissionsschutz 03/2015, S. 114–126

Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Schenk, Ordinarius für Strömungsmechanik, i.R.