Flugzeug Messkampagne UFA
7.4 Der Flug Ub5: Ionenwachstum bei Konvektion
Am 05.08.2001 fand der Flug Ub5 statt. Die Flugroute fuhrte von Oberpfaenhofen aus in Richtung Suden bis ca. 45 Nord, von wo aus Richtung Westen bis ca. 5 Ost geogen wurde, die Ost-West Strecke wurde zweifach in jeder Richtung durchogen.
Die Flugroute ist in Abbildung 7.3 dargestellt. Der PV Schnitt (Abbildung A.4) zeigt, dass der grote Teil des Fluges in der Stratosphare zuruck gelegt wurde. Es handelt sich um einen Tropopausentrog (Tropopausensenke), der in Auosung begrien ist.
Von besonderem Interesse ist der Querschnitt des vertikalen Windes (Abbildung A.7), es sind in einem Frontalgebiet aufwarts gerichtete, bis in groe Hohen reichende Wind-bewegungen (Konvektion) zu erkennen, die im Folgenden auch durch die Messdaten wiedergegeben werden. Die relative Feuchte (Abbildung A.6) ist auf den niedrigeren Flugachen, insbesondere an den westlichen Wendepunkten, hoher als auf den hohen Flugachen. Die Karte des Bedeckungsgrades mit hohen Wolken (A.5) zeigt auf der westlichen Halfte der Ost-West Flugstrecke eine erhohte Wahrscheinlichkeit dafur, hohe Wolken anzutreen.
Zur Interpretation der LIOMAS Daten (Abbildung 7.10, oben, a) muss bei dem Flug Ub5 die Messung der Wolkenpartikel der FSSP (Panel b) mit herangezogen werden. Bei Wolkendurchugen wurden mit allen Ionen-Sonden (LIOMAS, ESP, Stromungsrohr-ESP) stark erhohte Ionenusse detektiert, auf diesen Eekt wird in Abschnitt 7.6 eingegangen. An dieser Stelle und fur die gesamte Diskussion der ,,Ionenwachstums-Ereignisse" sollen nur Passagen des Fluges betrachtet werden, bei denen keine Wolken
auf der Flugstrecke anzutreen waren. Um die Bereiche ohne Wolken von den Berei-chen mit Wolken zu trennen, wurden nummerisch die Bereiche des Fluges ermittelt, bei denen der Kanal der FSSP des Haze Modes (0.8<d<2m) unter 1/cm3 lag. Die-ses Kriterium muss mindestens fur ein Intervall von 60s erfullt sein, damit von der Prozedur der Bereich als ,,wolkenfrei" gekennzeichnet wird. Fur den Flug Ub5 sind die so ermittelten wolkenfreien Bereiche in Panel (b) dunkel schraert. Ebenfalls in der Abbildung zu erkennen sind die FSSP Daten. Am Anfang, Ende, sowie auf der ersten West-Ost Strecke sind deutlich Wolken zu erkennen, die LIOMAS Daten werden in diesen Bereichen nicht diskutiert.
In den wolkenfreien Gebieten schwankt die Zahlrate kleiner Ionen zwischen we-nigen c/s und 100 c/s. Bei den mittleren Ionen fallen zwei Bereiche (ca. 30000 und 35000s) auf, bei denen die Zahlrate erhoht ist, in diesen Bereichen ist auch die Zahl-rate massereicher Ionen leicht erhoht. Die ZahlZahl-rate kleiner Ionen ist insbesondere zu Beginn dieser beiden Ionenwachstums-Ereignisse relativ niedrig. Die uber diese Berei-che gemittelten HPM-Spektren sind in der Abbildung 7.11 dargestellt. Beide Spektren sind sich recht ahnlich, die Zahlrate im Maximum betragt lediglich 10c/s, bis zu ei-ner Masse von ca. 700amu sind Ionenzahlraten deutlich oberhalb der Dunkelzahlrate in den Spektren zu erkennen. Die Spektren sind wiederum mono-modal, eine Mode nukleierter Ionen deutet sich evtl. im oberen Spektrum durch eine leichte Erhohung der Zahlrate im Massenbereich 700-2580amu an. Das erste Ereignis wurde zwischen 2 kleineren Wolkengebieten detektiert, innerhalb des Ereignis-Bereiches scheint jedoch lediglich ein Spektrum von Wolken beeinusst zu sein, daher wird dieser Bereich als wolkenfrei angesehen und hier diskutiert.
Die Partikeldaten in Abbildung 7.10 Panel (c), zeigen, dass die dunkel unterleg-ten Bereiche erhohter Zahlrate mittlerer Ionen wiederum mit Bereichen erhohter N3 Konzentrationen korreliert sind, bei dem ersten Ereignis erreichtN3 uber 10000/cm3, wobeiN14 unter 1000 liegt. Dies entspricht einem Nukleations Burst. Die Konzentra-tion der AkkumulaKonzentra-tions Moden Partikel durchlauft ein Minimum. In beiden Fallen ist, die Volatilitat der Partikel sehr hoch. Bei Beheizen des Lufteinlasses auf 250C werden lediglich 20-30N10 Partikel/cm3 detektiert (nicht in der Abbildung dargestellt). Die relative Feuchte (Panel d) betragt im ersten Fall nahezu 60%, was nochmals darauf hin deutet, dass es sich um ein Wolkenrandgebiet handelt. Im zweiten Fall steigt die relative Feuchte von wenigen % bis auf 40% an. Die Temperatur betragt jeweils ca.
228K.
Der Verlauf von O3, der zusammen mit dem von CO in Abbildung 7.12, oben dar-gestellt ist, macht deutlich, dass weite Strecken des Fluges durch die Stratosphare fuhr-ten. In den zwei hier interessierenden Gebieten deuten lokale Minimas des O3 Verlaufes darauf hin, dass eine tropospharische Luftmasse bis in die Stratosphare transportiert wurden. Dies zeigen auch die gleichzeitigen lokalen Maximas von CO.
100 cloud part.: d>3 um pressure_altitude
time UTC (secs after midnight)
250
Abbildung 7.10: Der Flug Ub5: Zeitverlaufe der LIOMAS Daten (a), FSSP (b), Partikelkon-zentrationen (c), relative Feuchte und Temperatur (d).
1 10
count rate (c/s)
Ub5:
30117s-30408s average of 46 spectra smooth: 41 channels
a
1 10
count rate (c/s)
5 6 7 8 9
100
2 3 4 5 6 7 8 9
1000
2
mass (amu)
Ub5:
34498s-35234s average of 115 spectra smooth: 41 channels
b
Abbildung 7.11: HPM-Spektren, die uber Bereiche von Ub5 gemittelt wurden, bei denen in wolkenfreien Gebieten erhohte Zahlraten mittlerer Ionen detektiert wurden.
10
time UTC (secs after midnight) 4x106
Abbildung7.12:Ub5, Zeitverlaufe von: O3, CO, Hohe, NOy, NO, Azeton, Methanol, SO2 und H2SO4.
Das Volumen-Mischungs-Verhaltnis von NOy ist in Panel (b) der Abbildung darge-stellt, es weist sehr hohe Werte, bis zu 7ppb auf. Die NOy Peaks werden von NO Peaks nachgezeichnet, die eine Hohe von 2-4ppb erreichen. Der erste westliche Wendepunkt des Fluges wurde bei 30890 erreicht. Die Bereiche, die symmetrisch links und rechts dieses Punktes liegen, entsprechen somit gleichen geographischen Lagen, die in unter-schiedlichen Hohen durchogen wurden. Der hochste NOy Peak wurde oberhalb eines ausgedehnteren Gebietes mit einem NOy Wert von 2ppb detektiert, es handelt sich um eine Verschmutzungsblase, die nach oben transportiert wurde. Die Tatsache, dass es sich um eine schnell konvektierte Luftmasse handelt wird auch dadurch belegt, dass das Volumen-Mischungs-Verhaltnis von HNO3 (nicht in der Abbildung) nur bei ca. 0.5ppb liegt, und somit nur einen sehr geringen Anteil des NOy ausmacht. HNO3 entsteht aus NO2 in einer Reaktion mit OH. Innerhalb von Stunden bis Tagen wird NO2 in HNO3 umgewandelt, der Anteil den HNO3 an dem gesamten NOy hat, steigt dadurch [Gri00]. Auch auf den hoheren Flugniveaus wurden noch recht hohe NOy Werte detek-tiert. Die zwei Peaks bei 34200 und 35100s stellen vermutlich die oberen Auslaufer der Verschmutzungsblase dar.
Das VMR von Methanol (Panel c) folgt dem starken NOy Peak, Azeton nimmt in den schraerten Bereichen die Werte 1 und 0.6ppb an, dies entspricht hohen strato-spharischen Werten.
Aus den Verlaufen von SO2 und H2SO4 lasst sich auf Grund der groen Streuung wiederum keine Aussage uber deren Einuss auf das Ionenwachstum ableiten.
Bei den beiden Ionenwachstums-Ereignissen, die auf dem Flug Ub5 detektiert wur-den, handelt es sich um deutlich verschmutzte Luftmassen, die durch starke Konvektion in die untere Stratosphare transportiert wurden, bzw. um stratospharische Luftmassen, die durch starke Konvektion gehoben wurde. Lokale Maxima der relativen Feuchte, der PartikelN3, von CO, NOy, NO, Azeton und Methanol gehen mit dem Ionenwachstum einher.