Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Präsentation zum Thema: "Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung"—  Präsentation transkript:

1 Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)
Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre Website:

2 Modellbeschreibung

3 ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)

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5 Submodels: RAD4ALL – Strahlungsmodul JVAL_GP – Online Photolysemodul (Photolyseraten für über 50 Substanzen) MECCA - Gasphasenchemie. Flexibles Chemieschema Standard-Chemie beinhaltet 104 Gasphasen-Substanzen und 245 Reaktionen. HETCHEM – Kalkulation von heterogene Reaktionsraten an NAT-, Eisteilchen und unterkühlten Schwefelsäure-aerosolen (STS) PSC – Parameterisierung Polare Stratosphärenwolke CLOUD – Wolkenparametrisierung, Wolkenbedeckung, Wolken-Mikrophysik, Regen-/Scheeniederschlag OFFLEM – Emissionen als Randbedingungen Convection – Konvektion im Model ATTILA – Lagrangsche Transportschemata

6 Ozonchemie in der mittleren Atmosphäre

7 Ozoneinheiten Mischungsverhältnis (in ppmv) Partialdruck (in hPa)
Ozonsäule in DU (1 DU=0.01 mm Höhe der Ozonsäule bei 0°C und 1atm Luftdruck)

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9 Ozonsäule-Messung

10 Ozonsäule-Modell

11 Ozonsäule-Messung 2001

12 Ozonsäule-Modell 2001

13 1.1 Chapman-Zyklus (1930) M ist dabei Stosspartner (Impuls- und Energiegleichgewicht). Absorptionsbande für Sauerstoff in Stratosphäre: nm  Herzberg-Kontinuum Absorptionsbanden für Ozon in Stratosphäre nm  Hartley-Bande nm  Huggins-Bande nm  Chapuis-Bande

14 1.1.2003 log(O(1D) [ppbv]) 1.7.2003 log(O(1D) [ppbv])
80km 50km 15km 0km 80km 50km 15km 0km log(O(1D) [ppbv]) log(O(1D) [ppbv]) 80km 50km 15km 0km 80km 50km 15km 0km O3 [ppbv] O3 [ppbv]

15 1.2 Katalytischer Reaktionskreislauf
X kann ist dabei Hydroxyl- (OH), Chlor- (Cl) oder Bromradikal (Br). Die katalytischen Reaktionskreisläufe finden nur bei Tageslicht statt.

16 1.3 Ozonabbaureaktionen mit aktivem Stickstoff
Ozonzerstörung vor allem im Bereich von 30-50km: Durch Photolyse von Stickstoffdioxid auch Ozonaufbau möglich:

17 1.7.2003 N2O [ppbv] 1.7.2003 NOx [ppbv] 1.7.2003 NOy [ppbv]
80km 50km 15km 0km 80km 50km 15km 0km N2O [ppbv] NOx [ppbv] 80km 50km 15km 0km 80km 50km 15km 0km NOy [ppbv] HNO3 [ppbv]

18 1.4 Ozonabbaureaktionen mit Wasserstoffradikalen
Ozonzerstörung vor allem im Bereich > 40km und < 20km: Bei hohen Mischungsverhältnissen von NOx -> Nullzyklus: Oberhalb von 40 km auch alternativ zu 1.17 bis 1.19:

19 1.7.2003 H2O [ppmv] 1.7.2003 log(HOx [ppbv]) 80km 50km 15km 0km 80km

20 1.5 Ozonabbaureaktionen mit aktiven Chlor und Brom
Abbau von FCKW-11 Abbau von FCKW-12 Abbau von Halon-1301

21 Ozon- abbau

22 42km 15km 30km 42km 15km 30km 72km 50km 15km 32km 72km 50km 15km 32km

23 42km 15km 30km 42km 15km 30km 72km 50km 15km 32km 72km 50km 15km 32km

24 1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale

25 Polare Stratosphärenwolken (PSCs)
Typ 1a: Salpetersäure-Trihydrat (HNO3(H2O)3(s)) (Nitric Acid Trihydrat  NAT) Typ 1b: Unterkühlte ternäre Lösung (H2O(l), H2SO4(l), HNO3(l)) (Supercooled Ternary Solution  STS) Typ 2: Eisteilchen (H2O(s)) ( Ice) Höhe: km Partikel-Radius: μm (NAT), 1 μm (STS), 5 μm (Ice) Sedimentation: bis zu 3.0 km/Tag

26 Bildung von flüssigen STS-Teilchen

27 Bildung von festen NAT-Teilchen
Homogene Nukleation Bildung von NAD aus STS bei Temperaturen 2-3 K unter TNAT. Umwandlung des metastabilen NAD zu NAT Heterogene Nukleation Bildung von NAT auf Eispartikeln, (TICE=188K) welche als Konden- sationskeime dienen TNAT in ca. 20km

28 50km 32km 15km 9km 50km 32km 15km 9km 50km 32km 15km 9km 50km 32km 15km 9km

29 1.7 Heterogene chemische Reaktionen
Polarer Winter Polarer Frühling

30 Deydratation Denitrifizierung 50km 32km 15km 9km 50km 32km 15km 9km

31 50km 32km 15km 72km 50km 32km 15km 0km

32 Langzeitsimulation von 1978-2050 mit ECHAM5/MESSy1

33 ECHAM5/MESSy1-Langzeitsimulation inkl. neuer NAT-Parametrisierung
Räumliche Auflösung: T31L39 Zeitliche Auflösung: Minuten Simulationsbeginn: Simulationsende: Chemische Initialisierung: KASIMA-PEP8 Meteorologische Initialisierung: ECMWF Nudging: ungenudgte Simulation Chemie: stratosphärische Chemie Submodels: CLOUD, CONVECT, CVTRANS, DRYDEP, H2O, HETCHEM, JVAL, LNOx, MECCA, OFFLEM, PSC, PTRAC, RAD4ALL, SCAV, SEDI, TNUDGE, TROPOP

34 Langzeitsimulation 1978 bis 2050 entsprechend Simulation REF 2 WMO 2006
Randbedingungen chemischer Tracer: IPCC-A1B-Szenario [IPCC, 2001]: CO2, N2O, CH4 WMO-Szenario Ab [WMO, 2007]: FCKW-11, FCKW-12* (incl. 1,5*FCKW-113 und 0,5*H-FCKW-22), CCl4, CH3CCl3, CH3Cl, Halon-1301, Halon-1211,CH3Br Aerosole: H2SO4, konstant entsprechend 1999, abgeleitet aus SAGE Solare Variabilität: konstanter mittlerer solarer Fluss QBO: keine Zusätzliches Bry: nein Randbedingungen SST: HADGEM-Simulation des Hadley Centre, basierend auf IPCC-A1B

35 Die Randbedingungen der Langzeitsimulation

36 Zukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCC

37 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

38 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

39 aus WMO [2007]

40 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

41 Temperaturverteilungen und deren langfristige Änderung von 1980 bis 2050

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44 0.01 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 1000 hPa

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48 Simulierte Ozonsäulen von 1980 bis 2060 und Vergleich mit WMO-Simulationen

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50 aus WMO [2007]

51 EMAC EMAC aus WMO [2007]

52 Minimale Ozonsäulen an der Arktis und Antarktis

53 aus WMO [2007]

54 EMAC aus WMO [2007]

55 aus WMO [2007]

56 ECHAM5/MESSy1 aus WMO [2007]

57 Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)
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