Zusammenfassung Eigene Veröffentlichungen

Die Mesosphäre: Der empfindlichste Bereich der Atmosphäre für Klimaänderungen?
(CLIME/RADIMP)
F.-J. Lübken, U. Berger, M. Rapp, J. Bremer, A. Kutepov, U. von Zahn, G. Sonnemann
Zielsetzung des Vorhabens:
In dem Verbundprojekt CLIME/RADIMP sollen klimatische Veränderungen und langzeitliche Variationen in
der oberen Atmosphäre (ca. 50-100 km) untersucht werden. Schwerpunkt des Vorhabens ist die Analyse des thermischen Trends der Mesopausenregion sein (80-100 km) mit der Fragestellung: Ist der Höhenbereich der oberenAtmosphäre ein frühzeitiger Indikator für kommende Klimaveränderungen in der Troposphäre?
Informationen zu Trends der thermischen Struktur sollen sowohl aus beobachteten Zeitreihen als auch aus
modelltheoretischen Analysen gewonnen werden.
Trends aus bisherigen Beobachtungen
Auftrittswahrscheinlichkeit leuchtender Nachtwolken (’NLCs’):
Seit einigen Jahrzehnten beobachtet man eine Zunahme der Häufigkeit von sogenannten ‘nachtleuchtenden
Wolken’. Diese aus Eispartikeln bestehenden Wolken entwickeln sich nur im Sommer in einer Höhe von ca. 82
km. Sie sind damit die höchsten visuell beobachtbaren Wolken. NLCs können sich nur als Folge extrem tiefer
Temperaturen ausbilden (-120°C bis -140°C), die über dem Sommerpol der Erde auftreten. Es stellt sich die
Frage, ob die Häufigkeitszunahme von NLCs einen sich ändernden thermischen Zustand wiederspiegelt, oder
ob er auf andere Ursachen zurückzuführen ist (z. B. auf eine Zunahme von Wasserdampf).
Anzahl der Nächte im Sommer zwischen 1960 2001, in denen NLC's visuell vom Boden aus
über Nordamerika, Nordwesteuropa und
Russland beobachtet wurden(von Zahn, 2003).
Saisonale Wasserdampfverteilung (ppmv) bei 67.5°N
aus COMMA/IAP bzgl. eines solaren Minimums.
Phasenhöhen-, Lidar- und Raketensondierungen in mittleren Breiten:
Aus einfachen Feldstärkemessungen im Radiolangwellenbereich wird die Höhenänderung eines Niveaus konstanter Elektronendichte (und damit des Druckes) nahe 82 km abgeleitet. Diese Höhe hat sich die letzten 40
Jahre kontinuierlich veringert. Dieses Schrumpfen der Atmosphäre ist durch eine starke Abkühlung bei 60-70
km Höhe verursacht worden. Hier beobachtet man den stärksten Temperaturtrend der Atmosphäre ( 5
K/Dekade).
1.0
80
0.0
75
height [km]
Dh [km]
Um mögliche Klimatrends in der Meso- und unteren Thermosphäre (MuT-Region: 70-110 km) zu untersuchen,
braucht man notwendigerweise eine genaue Kenntnis des aktuellen thermischen Zustandes dieser Höhenregion.
Bemerkenswerterweise kenn wir diesen Zustand erst seit cirka 10 Jahren. In einem Zwischenbereich der MuTRegion existiert eine thermische Grenzschicht (= Mesospause), die sich über ein absolutes Minimum im vertikalen
Temperaturprofil definiert. Die Temperaturstruktur dieses Minimums weist eine starke jahreszeitliche Variation
über polaren Breiten auf: extrem kalte Temperaturen unter 130 K im Sommer, die wie erwähnt zu einer Ausbildung
von Eiswolken (NLC', PMC's) führen, und cirka 60 K höhere Temperaturen während des Winters. Gleichzeitig
wird dieser dramatische Temperaturwechsel auch von einer Änderung der Mesospausenhöhe (= 2-Niveau Struktur)
begleitet.
Unter Einsatz einer neuen Messtechnik (Metall-Resonanz Temperaturlidar) konnte erstmals im Frühsommer 1996
die globale thermische Struktur der Mesopause in einem Höhenbereich zwischen 75-105 km beobachtet und quantifiziert werden (Forschungsschiff "Polarstern", von Zahn et al. 1996).
Im Jahre 1998 wurden erste globale Satellitenbeobachtungen des UARS/HRDI-Experiments (Ortland et al., 1998)
veröffentlicht, die in beeindruckender Weise die neuen Vorstellungen über die thermische Doppelstruktur der
Mesospausenregion bestätigten.
Zonal gemittelter Wind und Temperatur, Höhe gegen Breite, aus COMMA/IAP für den 21. Juni. Die blaue Linie
markiert die Lage der Mesospause.
COMMA/IAP zeigt folgenden möglichen Klimatrend: Typische modellierte Temperaturtrends bewegen sich
zwischen 6 bis 9 K Abkühlung für das letzte Jahrhundert, je nachdem ob man als vertikale Koordinate Höhen
konstanten Druckes oder wahre geometrische Höhen zugrunde legt. Im Falle von echten geometrischen Höhen
macht sich das Kontrahieren der unteren Atmosphäre aufgrund kälterer Temperaturen bemerkbar, dem zufolge
sich die Mesopausenhöhe um cirka 1.2 km abgesenkt hat. Somit haben wir heutzutage auf gleichen Höhen eine
etwas verschobene thermische Struktur, die im Vergleich zum Jahre 1900 die entsprechende
Temperaturänderung bewirkt hat.
85
0.5
-0.5
Trends aus Modellrechnungen mit COMMA/IAP
Trend (Sommer): -0.030 km/Jahr
1.0
0.5
rocket,lidar,
phase height data Wi
Su
70
65
60
0.0
55
-0.5
-1.0
50
Trend Winter): -0.029 km/Jahr
45
-1.5
1960
1970
1980
1990
2000
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
temperature trend [K/year]
Jahr
Trend einer Höhe konstanten Druckes nahe 82 km über Vergleich von Temperaturtrends für Sommer (Su) und
Kühlungsborn (54°N) nach Eliminierung des solar und Winter (Wi) aus Phasenhöhenmessungen (rot) mit
Trends aus Lidar- (blau) und Raketen-Daten
geomagnetisch bedingten Anteils.
(schwarz).
Zusammenfassung
Klimawirksamkeit einer "Space Shuttle" Emission:
Temperaturtrends aus Beobachtungen
Die Formation von Eiswolken (NLCs) hängt massiv ab,neben der Temperatur, vom Wasserdampfgehalt der
Atmosphäre ab. Wie empfindlich, konnte erstmalig anhand einer Space Shuttle Mission (DISCOVERY am
7. August 1997) nachgewiesen werden (Stevens etal. 2003), die Spektrometer-Experimente (CRISTA und
MAHRSI, Universität Wuppertal, Prof. Grossmann) für atmosphärische Untersuchungen an Bord hatte.
Bei diesem Space Shuttle Start wurde 90 % der Treibstoffmenge der Raketenstufe zu Wasser verbrannt.
Der durch das Shuttle emitierte
Wa s s e r d a m p f e r r e i c h t e d i e
sommerliche polare
Mesopausenregion nach cirka 1,5
Ta g e n u n d f ü h r t e
konsequenterweise zur Bildung
von polaren mesosphärischen
Eiswolken (PMC's und NLC's), die
wiederum von MAHRSI detektier
wurden. In diesem Fall konnte also
sogar die direkte Klimawirkung
einer "Schadstoffemission" bis in
hohe arktische Breiten verfolgt
werden (siehe auch NASA
P r e s s e k o n f e r e n z
http://www.gsfc.nasa.gov/topstory
/2003/0522shuttleshine.html)
GRLJournal_V30N10_CVR.qxd
6/27/2003
11:57 AM
Berechnete Temperaturänderung (COMMA/IAP) für Nordsommer-Bedingungen durch einen CO2 Anstieg von
295 ppmv auf 360 ppmv in den letzten 100 Jahren. (links): Temperaturänderung auf Druckniveus, (rechts):
Temperaturänderung auf geometrischen Höhen.
Page 1
Geophysical
Resear ch
Letters
VOLUME
A MERICAN
30
15 MA Y 2003
NUMBER
10
GEOPHYSICAL
U NION
! Temperaturtrends in der Mesosphäre in mittleren Breiten sind bis zu einem Faktor 10 stärker ausgeprägt als in der
Troposphäre. Die obere Atmosphäre besitzt also möglicherweise die Eigenschaft eines Frühwarnsystems für
mögliche Klimaänderungen.
! In polaren Breiten im Sommer wird ein Anstieg von nachtleuchtenden Wolken (NLC) und eine Zunahme ihrer
Helligkeit die letzten 20 Jahre beobachtet. Die Frage, ob diesen Anstieg der NLCs kältere Temperaturen oder
Wasserdampfzunahmen verursacht hat, ist weiterhin offen.
! Einzelheiten zu den physikalischen Ursachen der thermischen Struktur der Mesosphäre und ihr Einfluß auf die
Bildung von NLCs sind nicht voll verstanden. Frage: Warum beobachtet man im Sommer in der oberen polaren
Mesosphäre (82km) praktisch immer die gleiche Temperatur (”equithermal submesopause”)?
Temperaturtrends aus Modellen (GCMs)
! Alle Modellrechnungen liefern viel niedrigere Temperaturtrends im Vergleich zu den Messungen. Der
Treibhauseffekt aufgrund des anthropogenen Anstiegs von CO2 kann nicht die alleinige Ursache für die beobachteten Temperaturtrends in der Mesosphäre sein. Welche Rolle spielen also andere Spurengase (z.B
Wasserdampf, Ozon), dynamische Effekte (Wellenaktivität), bzw natürliche Variabilitäten (Solarzyklus)?
Eigene Veröffentlichungen
Space shuttle exhaust for ms polar clouds • New scaling factor impr oves
global cir culation models • For est fir e smoke impacts stratospher e
Bremer, J., and U. Berger, Mesospheric temperature trends derived from ground based LF phase height
observations at mid-latitudes, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 64, 805-816, 2001.
Von Zahn, U., Are noctilucent clouds truly a miners canary for global change?, EOS, American
Geophys. -union, 261-264, 2003.
Stevens, M., J. Gumbel, C. Englert, K. Grossmann, M. Rapp, and P. Hartogh, Polar mesospheric
clouds formed from space shuttle exhaust, J. Geophys. Lett., 30, doi10.1029, 2003.