Klimawandel in der Stratosphäre:
Wann regeneriert sich die Ozonschicht?
Martin Dameris
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,
Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen
Frankfurt, 21. Januar 2010
Klimawandel in der Stratosphäre:
Wann regeneriert sich die Ozonschicht?
Martin Dameris
mit wesentlichen Beiträgen von Hella Garny und Rudolf Deckert
Frankfurt, 21. Januar 2010
Science, Juni, 2007
Institut für Physik der Atmosphäre
Nature, Januar, 2008
Institut für Physik der Atmosphäre
Kopplung von Stratosphäre und Troposphäre
Prozesse des Klimawandels beeinflussen die thermische
und dynamische Struktur der Troposphäre (0-15 km) und
Stratosphäre (bis 50 km). Die Troposphäre und die Stratosphäre sind in vielfältiger Weise miteinander gekoppelt.
 Die dynamische Kopplung ist in erster Linie durch die Dynamik
großskaliger (planetare und synoptische) Wellen gegeben, die in
der Troposphäre angeregt werden.
 Die saisonale und die Jahr-zu-Jahr Variabilität in der Erzeugung,
Ausbreitung und Dissipation dieser Wellen sowie alle systematischen Veränderungen der Wellenaktivität, haben einen Einfluss
auf die thermische Struktur und Zirkulation der Stratosphäre.
 Diese Variationen in der Stratosphäre beeinflussen troposphärische Prozesse.
Institut für Physik der Atmosphäre
Klima-Chemie Wechselwirkungen
Um ein vollständiges Verständnis der Veränderungen
der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre zu
erlangen ist es erforderlich, den Klimawandel und seine
Rückkopplung zu berücksichtigen.
 Der Anstieg der Konzentrationen gut durchmischter Treibhausgase in der Atmosphäre führt zu höheren troposphärischen und niedrigeren stratosphärischen Temperaturen.
 Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist davon
unmittelbar beeinflusst, da viele chemische Reaktionen
temperaturabhängig sind.
 Darüber hinaus beeinflussen Temperaturänderungen die
atmosphärische Zirkulation und somit den Transport von
Spurengasen und -stoffen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Schema der Ozon-Temperatur Rückkopplungen aufgrund von
Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Schema eines Klima-Chemie Modells
(engl. Climate-Chemistry Model, CCM)
Institut für Physik der Atmosphäre
FCKW-Gehalt in der Troposphäre
Chlorgehalt in
der Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Volumenmischungsverhältnis
CH4 und Cly [ppbv]
Volumenmischungsverhältnis
CO2 und N2O [ppmv]
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:
Treibhausgase und stratosphärischer Chlorgehalt (Cly)
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für das Klima-Chemie-Modell:
Der 11-jährige Sonnenaktivitätszyklus
10.7 cm Radiofluss [10-22 Wm-2]
350
300
250
200
150
100
50
1950
2007
Jahr
Agung
El Chichón Pinatubo
Institut für Physik der Atmosphäre
Randbedingungen für ein Klima-Chemie-Modell:
Meeresoberflächentemperaturen und weitere Emissionen
Meeresoberflächentemperaturen
und Seeeisbedeckung:
Monatsmittel des UK Met Office,
Hadley Centre: Beispiel für Juni
1985 (Rayner et al., 2003).
Natürliche und anthropogene NOx Emissionen:





Industrie (Benkovitz et al., 1996)
Biomasse Verbrennung (Lee, pers. comm., 2003)
Blitze (Grewe et al., 2001)
Bodenverkehr (Matthes, 2003; Corbett et al., 1999)
Luftverkehr (Schmitt und Brunner, 1997)
Institut für Physik der Atmosphäre
: 12.0 - 33.0 TgN/a
: 6.3 - 7.2 TgN/a
:
~5.0 TgN/a
: 4.8 - 13.1 TgN/a
: 0.1 - 0.7 TgN/a
Temperaturtrend in der unteren Stratosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre
Temperaturentwicklung in der Stratosphäre
Temperaturanomalien
37-52 km
30-45 km
23-38 km
13-22 km
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
SPARC CCMVal Report, 2010
Validierung: Zonalmittel Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Validierung: Jahreszeitenmittel Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Validierung: Standardabweichung Gesamtozon (1995 - 2008)
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009
Entwicklung der Ozonschicht (1960 - 2050)
Ozonanomalie [DU]
60°N - 60°S
Jahr
Institut für Physik der Atmosphäre
Loyola et al., 2009; Dameris, 2009
Einfluss des Klimawandels auf die Ozonschicht
WACCM
Druck [hPa]
E39C
ΔT [°C]
FMA
REF–NCC
WACCM
Druck [hPa]
E39C
ΔO3 [%]
FMA
geogr. Breite (°)
geogr. Breite (°)
Institut für Physik der Atmosphäre
Die meridionale Massenzirkulation
(Brewer-Dobson Zirkulation)
Institut für Physik der Atmosphäre
Holton et al., 1995
Wasserdampf "Tape recorder" (10°S-10°N)
HALOE
E39C-A
Institut für Physik der Atmosphäre
Stenke et al., 2009
Einfluss des Klimawandels auf die
Brewer-Dobson Zirkulation (REF-NCC)
Änderung der Wellenaktivität im Jul./Aug.
geogr. Breite [°]
geogr. Breite [°]
Druck [hPa]
Änderung der Wellenaktivität im Dez./Jan.
Sommer
Winter
Winter
Sommer
Verursacht durch Änderungen in der Aktivität stationärer Wellen
Institut für Physik der Atmosphäre
Änderung der Meeresoberflächentemperatur, SST
(REF-NCC)
Änderung der SST im Juli/August
geogr. Länge [°]
geogr. Länge [°]
geogr. Breite [°]
Änderung der SST im Dezember/Januar
Δ(SST)max ≈ +1°C
Institut für Physik der Atmosphäre
Änderung des konvektiven Niederschlags (REF-NCC)
Juli/August
geogr. Länge [°]
geogr. Länge [°]
geogr. Breite [°]
Dezember/Januar
Δ(konvektiver Niederschlag)max ≈ +7%
Institut für Physik der Atmosphäre
Einfluss tropischer SST auf die Brewer-Dobson Zirkulation
© H. Schlager
Untersuchung der UrsacheWirkung Beziehung:
Ansteigende Temperaturen der
Ozeanoberfläche führen zu:
• verstärkter hoch reichender
Konvektion,
• erhöhte Freisetzung von latenter
Wärme,
• verstärkte Anregung von quasistationären planetaren Wellen,
• Intensivierung des Aufsteigens
tropischer Luftmassen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Deckert and Dameris, 2008a; b
Aufsteigen tropischer Luftmassen:
Zeitliche Veränderungen
DJF
Jahresmittel
JJA
Institut für Physik der Atmosphäre
Garny et al., 2009
Relativer Trend [%/Jahr] im tropischen Aufsteigen
E39CA:
1960-2049
(SCN-B2d)
Institut für Physik der Atmosphäre
Relativer Trend [%/Dek.] im tropischen Aufsteigen
Differenz 2000s – 1960s
Differenz 2040s – 2000s
Differenzen
von
SCN2
REF1
Differenzen von
"Zeitscheiben":
SST +
GHG
SST
GHG
Institut für Physik der Atmosphäre
Zukünftige Entwicklung
Abkühlung führt zu einer
Zunahme der NettoOzonproduktion
Rückgang der
Temperatur:
Ozonabbau wird
verstärkt
Rückgang der
Temperatur:
Ozonabbau wird
verstärkt
Institut für Physik der Atmosphäre
Was wissen wir bisher?

Die Veränderungen des stratosphärischen Klimas und der
Ozonschicht können mittels von Klima-Chemie-Modellen
nachvollzogen werden, wenn sowohl natürliche als auch
anthropogene Antriebe berücksichtigt werden.

Klima-Chemie-Modelle zeigen in konsistenter Weise, dass die
Erholung der Ozonschicht in einigen Regionen schneller von statten
geht, wenn die Stratosphärentemperatur aufgrund des Klimawandels
weiter sinkt; dies gilt nicht für die Polregionen.

Dort führen niedrigere Temperaturen zu einer stärkeren Bildung von
polaren Stratosphärenwolken (PSCs).

Die modellierte Intensivierung des Aufsteigens von Luftmassen in der
tropischen unteren Stratosphäre (GCMs, Klimamodelle, CCMs) ist ein
deutliches Indiz für eine veränderte Zirkulation. Bis heute sind die
Gründe und Mechanismen unklar, die diese Veränderungen
verursachen.
Institut für Physik der Atmosphäre
Was wissen wir bisher?


?
Die Erholung der Ozonschicht verläuft möglicherweise regional
unterschiedlich. Sie ist keine simple Umkehrung des Abbaus.
Eine vollständige Erholung der Ozonschicht einschließlich der
Polarregionen wird etwa zur Mitte des Jahrhunderts erwartet.
Ein "super-recovery" der Ozonschicht scheint möglich.
Institut für Physik der Atmosphäre
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Institut für Physik der Atmosphäre
Verwendung des Lagrang'schen Advektionsschemas ATTILA (Reithmeier und Sausen, 2002)
• ATTILA: Atmospheric Tracer Transport In a Lagrangian
•
Model.
Modellatmosphäre wird in eine große Zahl (498.000) von
Luftpaketen gleicher Masse eingeteilt, die mit dem
simulierten Windfeld advehiert werden.
• Jedem Luftpaket wird für jedes Spurengas ein
Mischungsverhältnis zugeordnet.
Strikt Masse erhaltend.
•
• Starke Gradienten werden reproduziert.
Institut für Physik der Atmosphäre
Der Temperatur- und Feuchtefehler
E39/SLT vs.
HALOE
E39/SLT vs.
ERA40
Institut für Physik der Atmosphäre
Der Temperatur- und Feuchtefehler
E39/ATTILA vs.
HALOE
E39/ATTILA vs.
ERA40
Institut für Physik der Atmosphäre
Tropopausendruck und -temperatur
Institut für Physik der Atmosphäre
Zonalwind: Januar und Juli
ERA40
E39/SLT
E39/ATTILA
Institut für Physik der Atmosphäre
Jahresgang Zonalwind: Nord- und Südhemisphäre
ERA40
E39/SLT
E39/ATTILA
Institut für Physik der Atmosphäre
Wasserdampf: 50 hPa, Oktober
Institut für Physik der Atmosphäre
Stratosphärischer Chlorgehalt
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozonprofile (80er Jahre)
74°N, 95°W
E39C
E39C-A
Sonden
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozonprofile "Südpol"
frühe 1980er
1990er
E39C
E39C-A
Institut für Physik der Atmosphäre
Anomalie: Gesamtozon 60°-90°S, SON
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
DJF (red), MAM (cyan), JJA (blue) and SON (magenta)
Institut für Physik der Atmosphäre
McLandress and Shepherd, 2009; J. Clim
Zeitreihen des tropischen Aufsteigens
Institut für Physik der Atmosphäre
Impact of SSTs on climatologies and trends
(see Garny et al., 2009)
Upwelling 76 hPa REF1
JJA
Mass flux [kg/s]
annual
Mass flux [kg/s]
DJF
Upwelling 76 hPa SCN2
years
years
Trends may vary on decadal time-scales
Institut für Physik der Atmosphäre
Changes of upwelling in Past and Future: Sensitivity to region of
integration
Difference 2000s – 1960s
Difference 2040s – 2000s
Pressure [hPa]
Pressure [hPa]
Diff from
SCN2
VARYING:
Integration
over region
where wstar
points
upward
FIXED:
Integration
over 20°S to
20°N
relative Difference in tropical Upwelling / decade [%]
Institut für Physik der Atmosphäre
Sensitivity simulations
 Time-slice experiments, running under same conditions for 15-20 years (+5 years
spinup).
Experiment
SSTs
GHGs
Reference
2000
2000
1960SST
1960
2000
1960GHG
2000
1960
1960SST+GHG
1960
1960
2040SST
2040
2000
2040GHG
2000
2040
2040SST+GHG
2040
2040
Institut für Physik der Atmosphäre
Ozone
depleting
substances
are left
unchanged
(year 2000
conditions)