Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre...
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Ole KirnerOle KirnerInstitut für Meteorologie und KlimaforschungInstitut für Meteorologie und Klimaforschung
Vorlesung: Mittlere und hohe AtmosphäreVorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.200916.06.2009
Website: Website: http://www-imk.fzk.de/~kirner
Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry
(EMAC)(EMAC)
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ModellbeschreibungModellbeschreibung
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ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)
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Submodels:Submodels:
RAD4ALLRAD4ALL – Strahlungsmodul – Strahlungsmodul JVAL_GPJVAL_GP – Online Photolysemodul (Photolyseraten für – Online Photolysemodul (Photolyseraten für
über 50 Substanzen)über 50 Substanzen) MECCAMECCA - Gasphasenchemie. Flexibles Chemieschema - Gasphasenchemie. Flexibles Chemieschema
Standard-Chemie beinhaltet 104 Gasphasen-Substanzen Standard-Chemie beinhaltet 104 Gasphasen-Substanzen und 245 Reaktionen.und 245 Reaktionen.
HETCHEMHETCHEM – Kalkulation von heterogene Reaktionsraten – Kalkulation von heterogene Reaktionsraten an NAT-, Eisteilchen und unterkühlten Schwefelsäure-an NAT-, Eisteilchen und unterkühlten Schwefelsäure-aerosolen (STS)aerosolen (STS)
PSCPSC – Parameterisierung Polare Stratosphärenwolke – Parameterisierung Polare Stratosphärenwolke CLOUDCLOUD – Wolkenparametrisierung, Wolkenbedeckung, – Wolkenparametrisierung, Wolkenbedeckung,
Wolken-Mikrophysik, Regen-/ScheeniederschlagWolken-Mikrophysik, Regen-/Scheeniederschlag OFFLEMOFFLEM – Emissionen als Randbedingungen – Emissionen als Randbedingungen ConvectionConvection – Konvektion im Model – Konvektion im Model ATTILAATTILA – Lagrangsche Transportschemata – Lagrangsche Transportschemata
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Ozonchemie in der Ozonchemie in der mittleren Atmosphäre mittleren Atmosphäre
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MischungsverhältnisMischungsverhältnis(in ppmv)(in ppmv)
Ozonsäule in DUOzonsäule in DU(1 DU=0.01 mm Höhe (1 DU=0.01 mm Höhe
der Ozonsäule bei 0°C der Ozonsäule bei 0°C und 1atm Luftdruck)und 1atm Luftdruck)
PartialdruckPartialdruck(in hPa)(in hPa)
OzoneinheitenOzoneinheiten
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Ozonsäule-Messung 1.10.2001Ozonsäule-Messung 1.10.2001
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Ozonsäule-Ozonsäule-Modell Modell
1.10.20011.10.2001
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Ozonsäule-Messung 2001Ozonsäule-Messung 2001
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Ozonsäule-Modell 2001Ozonsäule-Modell 2001
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1.1 Chapman-Zyklus (1930)1.1 Chapman-Zyklus (1930)
M ist dabei Stosspartner (Impuls- und Energiegleichgewicht).M ist dabei Stosspartner (Impuls- und Energiegleichgewicht).Absorptionsbande für Sauerstoff in Stratosphäre:Absorptionsbande für Sauerstoff in Stratosphäre:190-242 nm 190-242 nm Herzberg-Kontinuum Herzberg-Kontinuum
Absorptionsbanden für Ozon in StratosphäreAbsorptionsbanden für Ozon in Stratosphäre220-310 nm 220-310 nm Hartley-Bande Hartley-Bande310-400 nm 310-400 nm Huggins-Bande Huggins-Bande400-850 nm 400-850 nm Chapuis-Bande Chapuis-Bande
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80km80km
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50km50km
15km15km
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1.1.2003 log(O(1D) [ppbv])1.1.2003 log(O(1D) [ppbv])
1.7.2003 O1.7.2003 O33 [ppbv] [ppbv]1.1.2003 O1.1.2003 O33 [ppbv] [ppbv]
1.7.2003 log(O(1D) [ppbv])1.7.2003 log(O(1D) [ppbv])
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1.2 Katalytischer Reaktionskreislauf1.2 Katalytischer Reaktionskreislauf
X kann ist dabei Hydroxyl- (OH), Chlor- (Cl) oder Bromradikal (Br).X kann ist dabei Hydroxyl- (OH), Chlor- (Cl) oder Bromradikal (Br).Die katalytischen Reaktionskreisläufe finden nur bei Tageslicht statt.Die katalytischen Reaktionskreisläufe finden nur bei Tageslicht statt.
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1.3 Ozonabbaureaktionen mit aktivem Stickstoff1.3 Ozonabbaureaktionen mit aktivem Stickstoff
Ozonzerstörung vor allem im Bereich von 30-50km:Ozonzerstörung vor allem im Bereich von 30-50km:
Durch Photolyse von Stickstoffdioxid auch Ozonaufbau möglich:Durch Photolyse von Stickstoffdioxid auch Ozonaufbau möglich:
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80km80km
50km50km
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1.7.2003 N1.7.2003 N22O [ppbv]O [ppbv]
1.7.2003 HNO1.7.2003 HNO3 3 [ppbv][ppbv]1.7.2003 NO1.7.2003 NOyy [ppbv] [ppbv]
1.7.2003 NO1.7.2003 NOxx [ppbv] [ppbv]
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1.4 Ozonabbaureaktionen mit Wasserstoffradikalen1.4 Ozonabbaureaktionen mit Wasserstoffradikalen
Ozonzerstörung vor allem im Bereich > 40km und < 20km:Ozonzerstörung vor allem im Bereich > 40km und < 20km:
Bei hohen Mischungsverhältnissen von NOx -> Nullzyklus:Bei hohen Mischungsverhältnissen von NOx -> Nullzyklus:
Oberhalb von 40 km auch alternativ zu 1.17 bis 1.19:Oberhalb von 40 km auch alternativ zu 1.17 bis 1.19:
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0km0km
1.7.2003 H1.7.2003 H22O [ppmv]O [ppmv] 1.7.2003 log(HO1.7.2003 log(HOxx [ppbv]) [ppbv])
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1.5 Ozonabbaureaktionen mit aktiven Chlor und Brom1.5 Ozonabbaureaktionen mit aktiven Chlor und Brom
Abbau von Abbau von FCKW-11FCKW-11
Abbau von Abbau von FCKW-12FCKW-12
Abbau von Halon-1301Abbau von Halon-1301
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Ozon-Ozon-abbauabbau
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72km72km
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72km72km
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1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale
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Polare Stratosphärenwolken (PSCs)
Typ 1a: Typ 1a: Salpetersäure-Trihydrat (HNOSalpetersäure-Trihydrat (HNO33(H(H22O)O)33(s)) (s))
(Nitric Acid Trihydrat (Nitric Acid Trihydrat NAT) NAT)Typ 1b: Typ 1b: Unterkühlte ternäre Lösung (HUnterkühlte ternäre Lösung (H22O(l), HO(l), H22SOSO44(l), HNO(l), HNO33(l)) (l))
(Supercooled Ternary Solution (Supercooled Ternary Solution STS) STS)Typ 2:Typ 2: Eisteilchen (HEisteilchen (H22O(s)) (O(s)) ( Ice) Ice)
Höhe: Höhe: 12-28 km12-28 kmPartikel-Radius:Partikel-Radius: 1-15 μm (NAT), 1-15 μm (NAT), 1 1 μm (STS), 5 μm (Ice)μm (STS), 5 μm (Ice)Sedimentation:Sedimentation: bis zu 3.0 km/Tagbis zu 3.0 km/Tag
![Page 26: Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.2009 16.06.2009 Website: Website: kirnerkirner.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6149795902118b4906/html5/thumbnails/26.jpg)
Bildung von flüssigen STS-TeilchenBildung von flüssigen STS-Teilchen
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Bildung von festen NAT-TeilchenBildung von festen NAT-Teilchen
Homogene NukleationHomogene Nukleation Bildung von NAD aus STS bei Bildung von NAD aus STS bei Temperaturen 2-3 K unter TTemperaturen 2-3 K unter TNATNAT. .
Umwandlung des metastabilen Umwandlung des metastabilen NAD zu NATNAD zu NAT
Heterogene NukleationHeterogene NukleationBildung von NAT auf Eispartikeln, Bildung von NAT auf Eispartikeln, (T(TICEICE=188K) welche als Konden-=188K) welche als Konden-
sationskeime dienensationskeime dienen
TTNATNAT in ca. 20km in ca. 20km
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1.7 Heterogene chemische Reaktionen 1.7 Heterogene chemische Reaktionen P
ola
rer
Win
ter
Po
lare
r F
rüh
ling
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DenitrifizierungDenitrifizierung
DeydratationDeydratation
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Langzeitsimulation von Langzeitsimulation von 1978-2050 mit 1978-2050 mit
ECHAM5/MESSy1ECHAM5/MESSy1
![Page 33: Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.2009 16.06.2009 Website: Website: kirnerkirner.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6149795902118b4906/html5/thumbnails/33.jpg)
ECHAM5/MESSy1-Langzeitsimulation ECHAM5/MESSy1-Langzeitsimulation inkl. neuer NAT-Parametrisierunginkl. neuer NAT-Parametrisierung
Räumliche Auflösung:Räumliche Auflösung: T31L39T31L39Zeitliche Auflösung:Zeitliche Auflösung: 15 Minuten15 MinutenSimulationsbeginn:Simulationsbeginn: 01.01.1978 01.01.1978 Simulationsende:Simulationsende: 31.12.205031.12.2050Chemische Initialisierung:Chemische Initialisierung: KASIMA-PEP8KASIMA-PEP8Meteorologische Initialisierung:Meteorologische Initialisierung: ECMWFECMWFNudging:Nudging: ungenudgte Simulation ungenudgte Simulation Chemie:Chemie: stratosphärische Chemiestratosphärische ChemieSubmodels:Submodels: CLOUD, CONVECT, CVTRANS, CLOUD, CONVECT, CVTRANS, DRYDEP, DRYDEP, H2O, HETCHEM, JVAL, LNOx, MECCA, H2O, HETCHEM, JVAL, LNOx, MECCA, OFFLEM, OFFLEM, PSC, PTRAC, RAD4ALL, SCAV, SEDI, PSC, PTRAC, RAD4ALL, SCAV, SEDI, TNUDGE, TNUDGE, TROPOPTROPOP
![Page 34: Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.2009 16.06.2009 Website: Website: kirnerkirner.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6149795902118b4906/html5/thumbnails/34.jpg)
Langzeitsimulation 1978 bis 2050 Langzeitsimulation 1978 bis 2050 entsprechend Simulation REF 2 WMO 2006entsprechend Simulation REF 2 WMO 2006
Randbedingungen chemischer Tracer:Randbedingungen chemischer Tracer:
IPCC-A1B-Szenario [IPCC, 2001]: IPCC-A1B-Szenario [IPCC, 2001]: COCO22, N, N22O, CHO, CH44
WMO-Szenario Ab [WMO, 2007]: WMO-Szenario Ab [WMO, 2007]: FCKW-11, FCKW-12* FCKW-11, FCKW-12* (incl. 1,5*FCKW-113 und 0,5*H-FCKW-22), (incl. 1,5*FCKW-113 und 0,5*H-FCKW-22),
CClCCl44, , CHCH33CClCCl33, CH, CH33Cl, Halon-1301, Halon-Cl, Halon-1301, Halon-1211,CH1211,CH33BrBr
Aerosole:Aerosole: HH22SOSO4,4, konstant entsprechend 1999, konstant entsprechend 1999, abgeleitet aus SAGEabgeleitet aus SAGE
Solare Variabilität:Solare Variabilität: konstanter mittlerer solarer Flusskonstanter mittlerer solarer FlussQBO:QBO: keinekeine
Zusätzliches BrZusätzliches Bryy:: neinnein
Randbedingungen SST:Randbedingungen SST: HADGEM-Simulation des Hadley HADGEM-Simulation des Hadley Centre, basierend auf IPCC-A1BCentre, basierend auf IPCC-A1B
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Die Randbedingungen Die Randbedingungen der Langzeitsimulationder Langzeitsimulation
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Zukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCCZukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCC
IPCC [2001]IPCC [2001]
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
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Temperaturverteilungen und Temperaturverteilungen und deren langfristige Änderung deren langfristige Änderung
von 1980 bis 2050von 1980 bis 2050
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Simulierte Ozonsäulen Simulierte Ozonsäulen von 1980 bis 2060 und von 1980 bis 2060 und
Vergleich mit WMO-Vergleich mit WMO-SimulationenSimulationen
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
EMACEMAC
EMACEMAC
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Minimale Ozonsäulen an Minimale Ozonsäulen an der Arktis und Antarktisder Arktis und Antarktis
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
EMACEMAC
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aus WMO [2007]aus WMO [2007]
![Page 56: Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.2009 16.06.2009 Website: Website: kirnerkirner.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6149795902118b4906/html5/thumbnails/56.jpg)
aus WMO [2007]aus WMO [2007]
ECHAM5/MESSy1ECHAM5/MESSy1
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Ole KirnerOle KirnerInstitut für Meteorologie und KlimaforschungInstitut für Meteorologie und Klimaforschung
Vorlesung: Mittlere und hohe AtmosphäreVorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.200916.06.2009
Website: Website: http://www-imk.fzk.de/~kirner
Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry
(EMAC)(EMAC)