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)

ModellbeschreibungModellbeschreibung

ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)

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

Ozonchemie in der Ozonchemie in der mittleren Atmosphäre mittleren Atmosphäre

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

Ozonsäule-Messung 1.10.2001Ozonsäule-Messung 1.10.2001

Ozonsäule-Ozonsäule-Modell Modell

1.10.20011.10.2001

Ozonsäule-Messung 2001Ozonsäule-Messung 2001

Ozonsäule-Modell 2001Ozonsäule-Modell 2001

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

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

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])

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.

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:

80km80km

50km50km

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0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

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]

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:

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

80km80km

50km50km

15km15km

0km0km

1.7.2003 H1.7.2003 H22O [ppmv]O [ppmv] 1.7.2003 log(HO1.7.2003 log(HOxx [ppbv]) [ppbv])

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

Ozon-Ozon-abbauabbau

72km72km

50km50km

15km15km

32km32km

72km72km

50km50km

15km15km

32km32km

42km42km

15km15km

30km30km

42km42km

15km15km

30km30km

72km72km

50km50km

15km15km

32km32km

72km72km

50km50km

15km15km

32km32km

42km42km

15km15km

30km30km

42km42km

15km15km

30km30km

1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale

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

Bildung von flüssigen STS-TeilchenBildung von flüssigen STS-Teilchen

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

50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

1.7 Heterogene chemische Reaktionen 1.7 Heterogene chemische Reaktionen P

ola

rer

Win

ter

Po

lare

r F

rüh

ling

50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

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15km15km

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15km15km

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50km50km

32km32km

15km15km

9km9km

DenitrifizierungDenitrifizierung

DeydratationDeydratation

50km50km

32km32km

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72km72km

32km32km

15km15km

0km0km

50km50km

Langzeitsimulation von Langzeitsimulation von 1978-2050 mit 1978-2050 mit

ECHAM5/MESSy1ECHAM5/MESSy1

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

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

Die Randbedingungen Die Randbedingungen der Langzeitsimulationder Langzeitsimulation

Zukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCCZukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCC

IPCC [2001]IPCC [2001]

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

Temperaturverteilungen und Temperaturverteilungen und deren langfristige Änderung deren langfristige Änderung

von 1980 bis 2050von 1980 bis 2050

100 hPa100 hPa

10 hPa10 hPa

1 hPa1 hPa

0.1 hPa0.1 hPa

0.01 hPa0.01 hPa

1000 hPa1000 hPa

Simulierte Ozonsäulen Simulierte Ozonsäulen von 1980 bis 2060 und von 1980 bis 2060 und

Vergleich mit WMO-Vergleich mit WMO-SimulationenSimulationen

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

EMACEMAC

EMACEMAC

Minimale Ozonsäulen an Minimale Ozonsäulen an der Arktis und Antarktisder Arktis und Antarktis

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

EMACEMAC

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

aus WMO [2007]aus WMO [2007]

ECHAM5/MESSy1ECHAM5/MESSy1

Ole KirnerOle KirnerInstitut für Meteorologie und KlimaforschungInstitut für Meteorologie und Klimaforschung

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Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry

(EMAC)(EMAC)