Institut für Energie und Klimaforschung (IEK-7: Stratosphäre und IEK-8: Troposphäre)

130

IEK-7: Stratosphäre

Das IEK-7 bearbeitet zurzeit drei klimarelevante Forschungsschwerpunkte (FS): (1) Die Rolle der oberen Troposphäre und Stratosphäre im Klimasystem, (2) Ozon-Klimawechselwirkungen und (3) dynamische Kopplungen in der Atmosphäre und ihren Enfluß auf das Klima. Einige ausgewählte Forschungsaktivitäten des IEK-7 werden im Folgenden vorgestellt:

1. Wasserdampfbudget im Bereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (FS 1)

Während Klimamodelle die mit Wasserdampf verbundenen Klimaeffekte in der Troposphäre recht gut wiedergeben, ist die Simulation von Schlüsselprozessen, die die Wasserdampfverteilung in der Stratosphäre bestimmen, immer noch unzureichend. Dies betrifft insbesondere den Transport von Wasserdampf aus der tropischen Troposphäre in die Stratosphäre sowie die dabei auftretenden Trocknungsprozesse. Selbst moderne Modelle sind daher nicht in der Lage, die in den letzten Jahrzehnten beobachteten Schwankungen des stratosphärischen Wasserdampfs wiederzugeben. Dies ist äußerst kritisch, da neuere Analysen unterstreichen, dass Änderungen des stratosphärischen Wasserdampfs ein wichtiger Auslöser dekadischer Änderungen (Jahrzehnte) des Oberflächenklimas sind.

Messungen des IEK-7 im Rahmen tropischer Messkampagnen in Australien (SCOUT-O3), Brasilien (TROCCINOX) und Afrika (AMMA) zeigen, dass Änderungen von Wasserdampf in der Stratosphäre eng mit Änderungen des Transports von Wasserdampf durch die tropischen Tropopause zusammenhängen. Dabei stellte sich die Frage, entlang genau welcher Pfade Luftmassen aus der Troposphäre in die Stratosphäre gelangen und welche Prozesse die Trocknung der feuchten troposphärischen Luft vor ihren Eintrag in die Stratosphäre bestimmen. Der Wassereintrag in die Stratosphäre ergibt sich insgesamt durch ein sehr komplexes Zusammenwirken von hochreichender Konvektion (bis ca. 15 km), einem langsamen diabatischen Aufstieg durch die tropische Übergangsschicht (TTL) und dem Ansaugen dieser Luftmassen durch den aufwärts gerichteten Zweig der durch Wellen angetriebenen Brewer-Dobson Zirkulation. Nach einer gängigen Theorie legen die Luftmassen beim langsamen Durchquerens der TTL (Zeitskala von Wochen) sehr große horizontale Entfernungen zurück (mehrfaches Umkreisen der Erde) und werden dabei in den kältesten durchquerten Gebieten „gefriergetrocknet“, bevor sie in die Stratosphäre gelangen. Trajektorienrechnungen des IEK-7 sind in guter Übereinstimmung mit dieser Theorie und zeigen, dass der Wasserdampfgehalt eines Luftpaketes vor dessen Eintritt in die Stratosphäre hauptsächlich durch die Temperatur der kältesten Region bestimmt wird, die das Luftpaket durchquert hat. Der Trocknungsprozess selbst hängt eng mit der Bildung kalter Zirruswolken zusammen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen kürzlich erschienener Studien, nach denen sich diese Wolken im Bereich der TTL erst bei sehr hohen Wasserdampfsübersättigungen bilden („Supersaturation Puzzle“), befinden sich die Messungen des IEK-7 im Einklang mit den gängigen Theorien. Offenbar basieren die Ergebnisse neuerer Studien auf einer zu geringen Genauigkeit der dort verwendeten Messinstrumente. Die IEK-7 Ergebnisse zeigen weiterhin, dass überschießende Konvektion (entgegen der Aussagen einiger anderer Studien) eine für den Wasserdampftransport in die Stratosphäre eine untergeordnete Rolle spielt.

Insgesamt zeigt sich, dass das vom IEK-7 entwickelte Lagrangesche Transportmodell ( CLaMS) gegenüber Eulerschen Modellen eindeutige Vorteile besitzt, da die für die Trocknung wichtige „Temperaturhistorie“ eines Luftpaketes besser nachvollzogen kann. Die genaue Modellierung des Einflusses von Konvektion ist oberhalb ~16 km offenbar weniger wichtig. Neben den beschriebenen Prozessen trägt die Oxidation von Methan und molekularem Wasserstoff in der Stratosphäre zum Wasserdampfbudget bei. Das IEK-7 hat wesentlich zur Quantifizierung dieses Effekts beigetragen, hauptsächlich durch die Analyse einer weltweit einmaligen Langzeitreihe vom Ballonmessungen, die 1978 in Jülich begonnen wurden und mittlerweile in Kooperation mit der Universität Frankfurt fortgesetzt werden. Darüber hinaus untersucht das IEK-7 den möglichen Einfluss einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft auf die Entwicklung des stratosphärischen Wasserdampfs sowie mögliche Einflüsse auf die Ozonschicht und das Klima.

2. Zirruswolken im Bereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (FS 1)

Eiswolken (Zirren) stellen einen wichtigen Untersuchungsgegenstand des IEK-7 dar. Sie beeinflussen das Klima und begrenzen den Eintrag von Wasser in die Stratosphäre durch Sedimentation großer Eisteilchen. Der Eiswassergehalt von Zirruswolken wurde auf der Grundlage von zehn Flugzeugmesskampagnen in der Arktis, in mittleren Breiten und in den Tropen bestimmt (u. a. TROCCINOX, SCOUT-O3). Messdaten liegen für drei Versionen des Lyman-a-Hygrometers FISH des IEK-7 vor (Höhenforschungsflugzeuge GFD-Learjet, DLR-Falcon, M55-Geophysica). Aus dieser umfassenden FISH Datenbank wurde eine Klimatologie des Eiswassergehalts abgeleitet und die in Eiswolken aufgenommene HNO3-Menge bestimmt. Diese Klimatologie wird mittlerweile erfolgreich bei der Berechnung von Zirruswolken im CLaMS Modell angewendet. Außerdem findet die Klimatologie Eingang in globale Strahlungsmodelle anderer Atmosphärengruppen.

3. Troposphären-Stratosphärenaustausch in Bereich des Asiatischen Monsuns (FS 1)

Zur Entfaltung von Synergien mit der Energieforschung werden in Zukunft Untersuchungen der Auswirkungen der Energiewirtschaft (z. B. Emission von Treibhaussubtanzen) auf den Höhenbereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (engl. Abkürzung UTLS) zunehmend verstärkt. Die starke Bevölkerungszunahme in Süd-Ost Asien sowie das damit verbundene rasante, wirtschaftliche Wachstum führt zu einer zunehmenden regionalen und globalen Belastung der Atmosphäre. Insbesondere stellt der asiatische Sommer-Monsun ein persistentes Zirkulationsmuster dar, das die klimarelevanten Emissionen von der bodennahen Grenzschicht in die untere Stratosphäre transportiert. Um die damit verbundenen, globalen Effekte auf das Klima nachhaltig reduzieren zu können, ist ein detailliertes Verständnis solcher Transportwege von großer Bedeutung. Ferner ist der Einfluss des Klimawandels auf solche Prozesse, vor allem auf der regionalen Skala, nur unzureichend verstanden. Offen ist auch die Frage, wie der Eintrag der asiatischen Emissionen und deren Folgeprodukte in die Stratosphäre im Detail verläuft.

Im Höhenbereich von etwa 10 bis 18 km Höhe bildet der asiatische Monsun ein nahezu stationäres und über drei Monate existierendes Hochdruckgebiet, das sich in Form eines antizyklonalen Wirbels nahezu über ganz Asien erstreckt. Diese Antizyklone, deren Kern bei etwa 30°N liegt, schließt die asiatischen Emissionen sehr wirksam ein, die dank starker Konvektion, vor allem über Indien, Süd-China und Indonesien, in solche Höhen befördert werden. Als direkte Konsequenz findet man erhöhte Werte troposphärischer Spurengase wie Wasserdampf, CO oder HCN, sowie erniedrigte Werte stratosphärischer Spurengase wie Ozon oder HCl innerhalb der Antizyklone. Dieser, in den letzten Jahren viel diskutierte Befund, wurde vor allem aus den Satellitenbeobachtungen abgeleitet. Offen ist allerdings die Frage, inwieweit die asiatischen Emissionen die Zusammensetzung der sog. TTL-Schicht (tropical tropopause layer) beeinflussen, also eines sich über dem Äquator erstreckenden Bereiches der Atmosphäre, der den Massenfluss in die Stratosphäre maßgeblich bestimmt und daher als das „Tor zur Stratosphäre'' bezeichnet wird. Der meridionale, äquatorgerichtete Transport von der Antizyklone in die TTL geschieht unregelmäßig und wird durch planetare Wellen sowie Mischprozesse stark beeinflusst. Quantitative Angaben zu den transportierten Mengen sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

Das IEK-7 hat im Rahmen von Modellsimulationen den Einfluss dieses Zirkulationsmusters auf den Jahresgang von Ozon eingehend untersucht. Zusätzlich wurde der Einfluss der Darstellung des Vertikaltransports in Modellen auf die Zusammensetzung der TTL diskutiert. Der Einfluss der Torfbrände in Indonesien auf die erhöhten Werte von HCN in der TTL wurde mit Hilfe des Chemie-Transport Modell CLaMS nachgewiesen. Alle diese Arbeiten zeigen nicht nur, dass der asiatische Monsun ein zusätzlicher wichtiger Transportweg ist, der die Emissionsquellen in Süd-Ost Asien mit der Stratosphäre verbindet, sondern auch, dass auf diesem Weg ein wesentlicher Anteil der stratosphärischen Luftmassen aus den Extratropen in die TTL dazugemischt wird. Geplante Flugzeugkampagnen (GEOPHYSICA) im Bereich des asiatischen Monsuns (Ostindien) sollen diesen Forschungsschwerpunkt zukünftig am IEK-7 durch Messungen erweitern. Außerdem ist das IEK-7 eingeladen worden, im Jahr 2012 an der Missionsplanung und Datenanalyse einer Messkampagne der NASA (Malaysia) teilzunehmen.

4. Ozon-Klimawechselwirkungen (FS 2)

Seit Anfang der 90er Jahre weiß man, dass auch die Arktis in kalten stratosphärischen Wintern von erheblichen Ozonverlusten betroffen sein kann. Die Reduktion und Kontrolle ozonzerstörender Substanzen durch das Montrealer Protokoll (1987) und seine Folgeprotokolle ist zwar eine Erfolgsgeschichte der Umweltforschung, dennoch wurde im Winter 2010/11 die bisher ausgeprägteste Ozonzerstörungen über der Arktis beobachtet, so dass dieses Thema hochaktuell bleibt. IEK-7 Wissenschaftler haben vor Kurzem als Autoren oder Gutachter wichtige Beiträge zur Erstellung des Berichts der World Meteorological Organization (WMO) zur Entwicklung der Ozonschicht in der Stratosphäre geleistet. Im Folgenden werden ausgesuchte Ergebnisse der Jülicher Arbeiten zu diesem Themenkreis dargestellt.

Eine im April 2007 veröffentlichte Studie stellte unser bisheriges Verständnis der polaren Ozonchemie und insbesondere der Bildung des Ozonlochs in Frage. Danach sollte das ClO- Dimer Sonnenlicht viel schwächer absorbieren als bisher angenommen. Die Photolyse in der Stratosphäre wäre viel langsamer und die bekannten katalytischen Kreisläufe wären somit nicht die Hauptursache des Ozonlochs. Das IEK-7 hat daraufhin in einer Veröffentlichung in Science (2007) auf der Basis atmosphärischer Messdaten dargelegt, dass es auf keinen Fall angebracht ist, die Rolle der FCKW und das Montrealer Protokoll in Frage zu stellen. Diese Veröffentlichung wurde unterstützt durch Messung des Absorptionsspektrums von Dichlor Peroxid, die vom IEK-7 in Kooperation mit der Bergischen Universität Wuppertal durchgeführt wurden.

Die oben beschriebenen Arbeiten haben das vom IEK-7 koordinierte europäische Projekt RECONCILE initiiert. Von Januar bis März 2010 wurde im Rahmen von RECONCILE im nordschwedischen Kiruna eine internationale Messkampagne durchgeführt, bei der offene Fragen zum polaren Ozonabbau und damit zusammenhängenden Ozon-Klima-Wechselwirkungen geklärt werden sollten. Im Zentrum der Kampagne standen Messflüge mit dem russischen Höhenforschungsflugzeug Geophysica (Flughöhe bis 21 km), welches drei komplexe Instrumente des IEK-7 beherbergt. Insgesamt lieferte die Messkampagne eine Vielzahl von Daten, auf deren Grundlage die zukünftige Entwicklung der Ozonschicht und deren Einfluss auf das Klima präziser vorhersagt werden soll. Entsprechende Arbeit laufen zurzeit. Ein wichtiger Befund ist, dass sich die Photolyserate des ClO Dimers, die im Anschluss an die heterogene Chloraktivierung im Wesentlichen die Geschwindigkeit des katalytischen Ozonabbaus bestimmt, im Bereich der meisten aktuellen Labormessungen liegt.Außerdem wurde bei RECONCILE gezeigt, dass bei kalten Temperaturen Chlor nicht nur auf polaren Stratosphärenwolken sondern auch auf stratosphärischem Hintergrundaerosol (Schwefelsäuretröpfchen) aktiviert werden kann. Dies hat weitreichende Implikationen nicht nur für den Ozonverlust im polaren Winter, sondern auch in anderen Gegenden und Jahreszeiten, insbesondere vor dem Hintergrund möglicher „Geoengineering-Maßnahmen“ wie zum Beispiel dem gezielten Eintrag von Schwefelpartikeln in die Stratosphäre zur Abschwächung der globalen Erwärmung.

5. Gefahren von Geo-Engineering (FS 1 / FS 2)

Durch das Einbringen großer Mengen von Sulfaten in atmosphärische Höhen von 10 bis 25 Kilometern ließe sich nach Überlegungen des Nobelpreisträgers Paul Crutzen die globale Erwärmung abbremsen. IEK-7 Wissenschaftler und amerikanische Kollegen haben vor den Folgen eines solchen sogenannten Klima-Engineering gewarnt, denn die Sulfate würden die vor UV-Strahlung schützende Ozonschicht an den Polen gravierend schädigen. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Durch die Sulfatpartikel wird stratosphärisches Chlor chemisch so verändert, dass es eine rapide Ozonzerstörung verursacht. So könnten zwischen einem Drittel und der Hälfte der Ozonschicht über der Arktis zerstört werden. Besonders riskant wäre es, wenn sich nach einem künstlichen Eintrag von Sulfaten noch ein größerer natürlicher Vulkanausbruch ereignet. Dann wäre mit einem noch stärkeren, äußerst ernsthaften Ozonabbau in der Stratosphäre zu rechnen.

6. Atmosphärische Kopplungen und ihr Einfluss auf das Klima und Wetter (FS 3)

Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass die Stratosphäre einen signifikanten Einfluss auf das Wetter in der Troposphäre hat. Grund sind dynamische Kopplungen in der Atmosphäre durch Wellen. Ein wichtiges Beispiel für die dynamische Kopplung der Stratosphäre mit dem Bodenklima ist die quasi-zweijährige Oszillation des stratosphärischen Hintergrundes (QBO = Quai Bienniel Oszillation). Nach neueren Analysen beeinflusst die QBO beeinflusst z. B. die Wintertemperatur in Europa um bis zu 2 Grad. Wissenschaftler des IEK-7 konnten zeigen, dass der Großteil (ca. 70%) des Antriebs dieser QBO von kleinräumigen Schwerewellen geleistet wird.

Atmosphärische Wellen spielen bei atmosphärischen Kopplungen eine entscheidende Rolle (u. a. über ihre Wechselwirkungen mit dem mittleren Windfeld). Insbesondere Schwerewellen, deren horizontale Skalen von wenigen 10 km bis zu einigen hundert Kilometern betragen, sind zu kleinskalig, um von Klima- und Wettermodellen direkt aufgelöst zu werden. Der Effekt von Schwerewellen wird daher durch stark vereinfachte Parametrisierungen berücksichtigt. Zunehmend setzt sich allerdings in der Fachwelt die Erkenntnis durch, dass die in den Schwerewellen-Parametrisierungen angewandten Vereinfachungen deutlich zu ungenau sind. Es gibt deshalb verschiedene Bestrebungen, basierend auf globalen Messungen des Schwerewellen-Impulsflusses, die Schwerewellen-Parametrisierungen realistischer zu gestalten. Dies kann z. B erreicht werden, indem man die frei einstellbaren Parameter durch Messungen eingrenzt. Das IEK-7 hat auf diesem Feld auf der Grundlage von Satellitenbeobachtungen (CRISTA, SABER, HIRDLS, AIRS) Pionierarbeit geleistet. Die Arbeiten spielen eine wichtige Rolle bei der „Schwerewelleninitiative“ des Weltklimaforschungsprogramms (WCRP SPARC). Zur Verbesserung von Wettervorhersagen hat das Europäische Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) eine Parametrisierung für nichtorographische Schwerewellen in das dort betriebene Vorhersagemodell integriert. Diese Parametrisierung basiert auf eines Analyse des IEK-7 von CRISTA-Satellitenbeobachtungen. Unter Verwendung einer dort optimierten Schwerewellen-Parametrisierung liefert das ECMWF-Modell nun eine verbesserte Darstellung globaler Zirkulationsmuster. Die zukünftige Verbesserung der Schwerewellenparametrisierung in Chemie-Klima-Modellen (CCMs) ermöglicht eine neue Qualität der Prognosefähigkeit derzeitiger Klimamodelle.

IEK-8: Troposphäre

Das Institut IEK-8 untersucht die physikalischen und chemischen Prozesse der Troposphäre, welche die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre wesentlich beeinflussen. Dazu gehört (1) die Freisetzung (Emission) von Spurenstoffen aus Bodenquellen, Verkehr und Industrie, (2) die chemische Umwandlung von Spurenstoffen in der Atmosphäre und (3) die Verteilung von Schadstoffen durch Transport. Schwerpunktmäßig befassen sich die Forschungsarbeiten mit der Langzeitbeobachtung atmosphärischer Spurenstoffe, der Aufklärung photochemischer Prozesse welche die atmosphärische Selbstreinigung steuern und der Bildung und Alterung von gesundheits- und klimarelevanten Aerosolen. Die Forschungsergebnisse werden für Tests und Weiterentwicklung atmosphärischer Modelle herangezogen. Darüber hinaus werden numerische Modelle für Vorhersagen der regionalen Luftqualität und globaler Chemie-Klimawechselwirkungen eingesetzt.

Adresse

Forschungszentrum Jülich GmbH
IEK-7/IEK-8
52425 Jülich
Deutschland

Sekretariat IEK-7: +49 (0) 2461 61 6065
Sekretariat IEK-8: +49 (0) 2461 61 4692

info@fz-juelich.de

http://www.fz-juelich.de/portal/DE/iek