Nico Becker
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„What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?“ Newman et al. 2009 -S- Mittlere Atmosphäre WS 2009/10 Nico Becker Hintergrund -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Hintergrund ● Ab 1859 Ammoniak als Kältemittel → giftig, führte zu Lecks in den Leitungen ● Ab 1930 Einsatz von FCKW → reaktionsträge, unbrennbar, geruchlos, ungiftig, usw. -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Hintergrund ● ● ● ● 1974, Molina und Rowland: Ozon könnte durch FCKWs abgebaut werden ● Zerstörung von O3 durch Cl und Br in katalytischen Kreisläufen ● Erhöhung der UV Strahlung als Folge 1985: Scientific assessment of ozone depletion 1987: Montreal Protokoll ● Regulierung der Produktion von FCKWs und anderen ozone depleting substances (ODS) ● Seitdem haben 193 Länder unterzeichnet Zwei Fragen ● Wie verhalten sich ODS und O3 Konzentrationen in der Atmosphäre? ● Was wäre ohne Regulierungen passiert? → the world avoided -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Verschiedene Studien Was wäre ohne Regulierungen passiert? ● ● ● 1996, Prather et al. ● 2D-Modell (latidude-altitude) ● Keine Strahlung, Dynamik und Chemie ● 10% Ozonverlust bis 1999 2008, Morgenstern et al. ● 3D CCM ● 35% mittlerer Ozonverlust in der oberen Stratosphäre bis 2030 ● 20% zusätzlicher Ozonverlust in den Polarregionen 2009, Newman et al. Update und Fortführung der früheren Modellstudien mit dem GEOSCCM bis 2065 -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Übersicht 1. Ozon 2. Chemie 3. Dynamik 4. UV-Strahlung -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Experiment Das Modell und die Simulationen ● ● ● ● ● 2° x 2,5° (lat x lon), 55 vertikale Schichten bis 0.01 hPa (80 km) 35 Spurengase CO2, CH4 und N2O aus A1b Szenario Das troposphärische Ozon wird alle 5 Tage an eine Klimatologie angepasst PSCs werden parametrisiert (Considine et al., 2000) -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Experiment Die Szenarien EESC (equivalent effective stratospheric chlorine) ● Berechnung: [Cly] + [Bry] x 60 EECl (equivalent effective chlorine ) ● ● Konzetration am Boden Wird im Modell als Emissionsquelle verwendet -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Globales Jahresmittel des Gesamtozons T<220K → „Ozonloch“ ----- 2D Modell -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Globales Jahresmittel des Gesamtozons ● Linearer Zusammenhang zwischen O3 und EESC -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Zonale Jahresmittel des Gesamtozons ● ● ● Ab 2040 Ozonlochbedingungen in der Antarktis Ausgleich der zonalen Unterschiede 2065 macht das troposphärische Ozon im globalen Mittel 27 DU aus -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Prozentualer Unterschied der Ozonkonzentration zwischen world avoided und reference für den Zeitraum 2055-2065 ● ● ● ● 200 bis 30 hPa Maximale Abnahme im SHPolarwirbel (90%) 5 bis 0,5 hPa Bis zu 70% in den mittleren Breiten Abnahme in der Troposphäre durch Advektion ozonarmer Luft Positive Werte an tropischer Tropopause wahrscheinlich durch verstärkte Vertikalbewegung -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Tropisches Ozon Was verursacht die extreme Ozonabnahme ab 2050? -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 1. Ozon Tropisches Ozon ● ● Zusammenhang zwischen Ozonkonzentration und Temperatur Durch Unterschreiten der kritischen Temperatur heterogene Chemie in den Tropen möglich! -S- Mittlere Atmosphäre PSC I The world avoided WS 2009/10 2. Chemie Tropen ● ● ● ➔ Cl im „passiven Reservoir“ -S- Mittlere Atmosphäre Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Chlorverbindungen Unterschreitung von 195K führt zur Bildung von Sulfatearosolen An deren Oberfläche werden passive in aktive Cly umgewandelt Ozon wird abgebaut Cl als „aktive Radikale“ The world avoided WS 2009/10 2. Chemie Arktis ● ● ● Aktive Chlorverbindungen bauen Ozon ab Geht das Ozon 2030 gegen null, wird der katalytische Kreislauf unterbrochen Dominierende Reaktion: Cl + CH4 → HCl + CH3 -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 2. Chemie Arktis März: Polarnacht Keine Photolyse von Cl2O2 Ab 2035 -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 3. Dynamik Unterschied der Mitteltemperatur und Residualzirkulation zwischen world avioded und reference für den Zeitraum 2055-2065 Abkühlung der Stratosphäre durch Rückgang der Absorption kurzwelliger Strahlung Erwärmung durch Absinken Größere Tropoausenhöhe -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 3. Dynamik Unterschied der Zonalwinde im Januar zwischen „world avioded“ und „reference“ für den Zeitraum 2055-2065 ● ➔ ● SH: Westwinde statt östlicher Sommerzirkulation Permanente Winterzirkulation (Nicht auf der NH) NH: Abgeschwächter Polarwirbel -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 4. UV-Strahlung UV Fluss am 2 Juli 30°N bis 50°N ● Extremer Anstieg vor allem im Erythem-wirksamen Bereich unterhalb von 300 nm ● Der UV Fluss 2065 ist 109 mal stärker als 1980 (off scale) -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 4. UV-Strahlung UV Index am 2 Juli in 30°N bis 50°N ● ➔ UV Index = 30 in 2065 „wahrnehmbarer Sonnenbrand“ nach 5 bis 15 Minuten (Hauttyp II) -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Zusammenfassung World Avoided 1. Ozon ● Weltweit extremer Rückgang der Ozonkonzetrationen ● Größte Abnahmen in oberer und unterer Stratosphäre ● Plötzlicher Einbruch in den Tropen ab 2050 2. Chemie ● Heterogene „Ozonloch-Chemie“ in den Tropen 3. Dynamik ● Rückgang der Temperaturen durch fehlende Absorption ● Geänderte Residualzirkulation ● Permanente Winterzirkulation in der Antarktis 4. UV ● Intensivierung vor allem Kurzwelliger UV-Strahlung und mehrere Größenordnungen -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10 Quellen ● ● Newman et al, 2009: What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated? Vorlesung „Die Stratosphärische Ozonschicht“ Modul „Meteorologie der mittleren Atmosphäre“, WS 2009/10, Vorlesung 5 ● Natural Resources Canada’s Office of Energy Efficiency: Heating with a heat pump ● http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/Eisschrank_ca1900_1.jpg -S- Mittlere Atmosphäre The world avoided WS 2009/10
