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On the localizability of atmospheric tracer sources using a Lagrangian particle dispersion model in backward mode
Rainer Kaltenberger
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Leopold Haimberger
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29731.63812.861655-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Im Rückwärtsmodus eignen sich atmosphärische Transportmodelle, um die Lokalisierbarkeit von Quellen atmosphärischer Tracer zu ermitteln. Durch das Zusatzprotokoll zum Atomwaffensperrvertrag (NPT), dessen Einhaltung von der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO) überwacht wird, sind Messungen des chemisch inaktiven, radioaktiven Edelgases Krypton-85 (Kr-85) rechtlich vorgesehen. Krypton-85 eignet sich als Indikator zur Herstellung von Plutonium. Eine neue Messtechnik, genannt ATTA (Atomic Trap Trace Analysis), wird in naher Zukunft die Kosten der zurzeit aufwändigen Sampling- und Analysemethoden stark reduzieren und höher aufgelöste Samplingintervalle, z.B. 6-stündig oder 12-stündig, ermöglichen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Untersuchung der Auswirkung von verschiedenen zeitlichen Messintervallen auf die Lokalisierbarkeit von Tracerquellen mittels atmosphärischer Rückverfolgungsmethoden, welche bereits operationell zur Verifikation des Kernwaffenteststopp-Vertrages (CTBT) eingesetzt werden.
Hierzu wurden 2009 wöchentliche Emissionen von Kr-85 über der Wiederaufbereitungsanlage La Hague fiktiv freigesetzt und Vorwärtssimulationen mit dem Lagrangeschen Partikelausbreitungsmodell Flexpart durchgeführt. In sogenannten “Catch-the-plume” Szenarien wurden Pseudokonzentrationsmesswerte an jeweils zwei virtuellen Messstationen generiert und die zugehörigen Quell-Rezeptorfelder (SRS-Felder) durch Flexpart im Rückwärtsmodus berechnet. Diese wurden anschließend gemittelt, um Sensitivitätsfelder für unterschiedliche Messintervalle der Pseudomessungen zu erhalten. Danach wurden mittels eines “try-and-error” Ansatzes Rückwärtskorrelationsfelder, sogenannte “PSR-Felder” der jeweiligen Messszenarien berechnet, um Lokalisierbarkeitsparameter z.B. die Distanz zwischen räumlich-zeitlicher Maximalkorrelation und dem Freisetzungspunkt oder der Größe der Fläche eines benutzerdefinierten Korrelationswertes zu bestimmen.
Die verwendeten Methoden wurden im Anschluß anhand von echten Tracermessdaten des ersten Europäischen Tracer Experiments (ETEX-1) validiert. Eine Kosten-Nutzen Analyse identifizierte als ideale Zeitauflösung zwölf Stunden, wobei der Lokalisierungsfehler der berechneten Position des Quellpunktes in 86% aller Simulationen kleiner als 350km war und in 61% der Fälle der Korrelationswert bei La Hague 0.7 überstieg. Der Ursprung des Tracers war auf bis zu 2000km Entfernung von der Quelle gut lokalisierbar (Lokalisierungsfehler <111 km) insbesondere bei Wetterlagen, bei denen Advektionsprozesse im Vergleich zur Diffusion dominierten und zu scharfen Signalen bei den Samplingstationen führten. Innerhalb einer Toleranz von ±6h waren ca. 70% der Simulationen aller Samplingintervalle zeitlich lokalisierbar. Weitere Untersuchungen sind nötig um die Lokalisierbarkeit bei gradientschwachen Wetterlagen zu verbessern. Die Ergebnisse können bei möglichen zukünftigen Adaptionen der Methoden im Rahmen von anderen internationalen Verträgen, bei welchen atmosphärische Rückverfolgungsmethoden anwendbar sind, nützlich sein. Nichtregierungsorganisationen könnten Flexpart verwenden, um bei polarisierenden Themen die Unabhängigkeit internationaler Organisationen hervorzuheben.
Abstract
(Englisch)
The localizability of atmospheric tracer sources can be assessed using atmospheric transport models in backward mode. With the Additional Protocol to the Non-Proliferation Treaty (NPT), whose compliance of ratified states is monitored by the International Atomic Energy Agency (IAEA), atmospheric sampling analysis of the noble gas Krypton-85 (Kr-85), which is a suitable tracer for plutonium separation activities, was introduced. A novel sensor technology, called ATTA (atomic trap trace analysis), will soon allow a radical cost reduction of currently expensive sampling- and analyzing methods and thus will enable higher refined sampling intervals e.g. of 6h or 12h. The main target of this thesis is to investigate the effects of different temporal sampling resolutions on the localizability of tracer sources using backtracking methods, which have already been set up operationally to support the verification of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT).
Predefined weekly quantities of Kr-85 were hypothetically released in 2009 over the La Hague reprocessing plant and forward dispersed using the Lagrangian particle dispersion model Flexpart. In so-called “catch-the-plume” scenarios, pseudo concentration samples were generated at two fictitious sampling stations. For each of the virtual samples, source-receptor sensitivity (SRS) fields were simulated and averaged to yield backward sensitivities of different temporal sampling resolutions. Afterwards, backward correlation fields, so-called “possible source regions” (PSR) of the multiple measurement scenario, were calculated to compute localizability parameters, e.g. the distance between the spatio-temporal correlation maximum and the release point or the size of a user-defined PSR.
All methods applied within this thesis were validated using real tracer measurement data of the 1th European Tracer Experiment. A cost-benefit analysis yields optimum spatial localization results for a sampling interval of 12h, where in 86% of all simulations the error of the estimated release point location was < 350km and correlation values ranged ≥ 0.7 at La Hague in 61% of all cases. The tracer origin stayed well locatable, i.e. had an localization error <111 km, up to 2000km away from the source in synoptic weather conditions, where advection processes dominate over diffusion yielding sharp concentration peaks at the sampling stations. Temporal localization within ±6h can be achieved in around 70% of all cases and intervals. Further research is needed to improve the localizability in diffusive weather situations and to assess the minimum detectable source strength. The findings of this thesis might contribute to the adaption of the presented methods for monitoring the compliance of other treaties. NGOs can operate Flexpart to confirm the independence of statements published by international organizations in divisive issues.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
localizability tracer tracer source transport sampling duration backtracking dispersion model LPDM Flexpart Krypton-85 traty verification NPT IAEA CTBTO try-and-error approach catch-the-plume scenario source-receptor sensitivity SRS-field environmental meteorology
Schlagwörter
(Deutsch)
Lokalisierbarkeit Tracer Tracerquelle Transport Samplingintervall Backtracking Dispersionsmodell LPDM Flexpart Krypton-85 NPT IEAO CTBTO Try-and-error Ansatz Catch-the-plume Szenario Quell-Rezeptorfeld SRS-Feld Umweltmeteorologie
Autor*innen
Rainer Kaltenberger
Haupttitel (Englisch)
On the localizability of atmospheric tracer sources using a Lagrangian particle dispersion model in backward mode
Paralleltitel (Deutsch)
Über die Lokalisierbarkeit von atmosphärischen Tracerquellen unter Verwendung eines Lagrangeschen Partikeldispersionsmodells im Rückwärtsmodus
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
XIII, 99 S. : Ill., graf. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Leopold Haimberger
Klassifikationen
33 Physik > 33.28 Transportvorgänge, irreversible Thermodynamik ,
38 Geowissenschaften > 38.80 Meteorologie: Allgemeines ,
38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre ,
43 Umweltforschung > 43.50 Umweltbelastungen ,
89 Politologie > 89.72 Internationale Organisationen ,
89 Politologie > 89.76 Friedensforschung, Konfliktforschung
AC Nummer
AC10801658
Utheses ID
24054
Studienkennzahl
UA | 415 | | |