Oberflächen und Volumendichten

In diesem Abschnitt präsentier ich die aus den Lidardaten abgeleiteten Aerosolo- berflächen und Volumendichten präsentieren diese Gröfie könne z.B. in ,,chemi- cal box1'-Modellen als Inputparameter dienen, um den Ozonabbau a posteriori zu simulieren.

Aus allen Aerosolbeobachtungen der beiden Winter 1995196 und 1996197 sind nach dem Verfahren von Gobbi (vgl.Abschnitt 3.4.4) Oberflächendichte S und Volumen- dichten V berechnet worden. Diese stehen fü alle Meflpunkte der Aerosoldatenbank zur Verfügung die Darstellungen in Abbildung 4.23 sollen lediglich einen Überblic geben. Der Vergleich mit den Höhenschnitte der Temperatur übe iVy-€lesu (Anhang C) zeigt deutlich die Korrelation der Aerosoldichte mit Höhen und Zeit- bereichen tiefer Temperatur.

335 1 32 61

Dez Jan Feb

335 1 32 61

Dez Jan Feb

Abbildung 4.23.: Contourplot der nach Gobbi D 9 5 1 aus den Rückstreukoeffiziente bei 532 n m berechneten Oberflächen (a.) und VoJumendichten [b) i m Winter 1995/96.

MeBzeitpunkte sind durch die senkrechten Striche übe der Abbildung angedeutet.

4. Ergebnisse

I 32 60

Januar Februar

(4

I 32 60

Januar Februar

(b)

Abbildung 4.24.: Contourplot der nach Gobbi [1995] aus den Ruckstreukoeffizienten bei 532 n m berechneten Oberflächen (a) und Volumendichten ( b ) i m Winter 1996/97.

Mefizeitpunkte sind durch die senkrechten Striche übe der Abbildung angedeutet.

In der Einführun wurden die Fragen an das Experiment formuliert; hier soll versucht werden, sie zu beantworten.

0 Wie lassen sich PSCs sinnvoll klassifizieren, d.h. nicht nur phänomenologisch sondern auch mikrophysikalisch sinnvoll?

Antwort Die auf Browell zurückgehend Klassifikation in Ia- und Ib-Typen hauptsächlic nach Ru und dAer ist nicht ausreichend. Es wurde gezeigt, dafi die meisten ,,flüssigen1 PSCs koexistierend auch depolarisierende, d.h. feste Teilchen enthalten, deren Aerosoldepolarisation jedoch vom hohen Rückstreu verhältni der flüssige Partikel ,,maskiert1' wird. Das Problem ist die Verwen- dung der eindimensionalen Gröfi dAer bei PSCs, die aus einer externen Mi- schung von Partikeln bestehen; eine bessere Analyse wird in diesem Fall durch die Betrachtung der polarisierten Rückstreukoeffiziente

RL

und Rli erreicht:

Ein

RL

> 1 zeigt zuverlässi die Anwesenheit von asphärische Teilchen, auch wenn R l l bzw. Ru gleichzeitig hohe Werte annehmen.

0 Wie ist Existenztemperaturbereich bzw. die Einsatztemperatur dieser Typen?

Antwort Die Einsatztemperatur fü flüssig Teilchen ist innerhalb der expe- rimentellen Unsicherheit: TsTs. Die Existenztemperatur der depolarisierenden, festen Partikel ist T

<

TNAT.

Wie häng das Auftreten der verschiedenen Typen (aufier von der Umgebungs- temperatur) von der Temperatur- und sonstigen Vorgeschichte der Luftpakete ab?

Antwort Es existiert eine hohe Korrelation des signifikanten Auftretens von gefrorenen Aerosolen mit a ) einer langen (> 1 d) Periode mit T

<

TNAT vor der Beobachtung und b) der Herkunft der Partikel aus Gebieten, die häufig Störunge der synoptischen Temperatur durch mountuzn wuves erwarten las- sen. Eine genauere Analyse ist mangels einer Wellen-Klimatologie noch nicht möglich

Welche mikrophysikalischen Modelle sind mit den Beobachtungen konsistent?

Antwort Fü flüssig Aerosole: STS. Fü feste Teilchen: Kondensation von meist nur wenigen Prozent der in der Gasphase verfügbare Salpetersäur zu feste Hydraten (PSC-Typ ,,Iail); in Ausnahmefälle Kondensation eines

5. Fazit

grofien Teils der in der Gasphase verfügbare Salpetersäur zu festen Hydra- ten (PSC-Typ ,,Idl'). Diese festen Part,ikel existieren bis zu TNAT

*

^{2 , s K und}

könne (wenigstens etliche Stunden) mit den STS-Tröpfche koexistieren. Die Existenz von SAT in der Stratosphär kann fü effektive Radien

<

0 , 2 p m generell nicht ausgeschlossen werden, in einigen Beobachtungen konnten mit einer hohen Signifikanz depolarisierende Teilchen (dAer ^z 0.01) bis zu einer Temperatur von 205 K nachgewiesen werden. Die Bildung von festen PSC- Partikeln auf präaktivierte SAT ist deshalb ebenso mit den Beobachtungs- daten konsistent wie das Gefrieren von flüssige Aerosolen bei mesoskaligen Abkühlereignissen

Wie kann die PSC-Sta.tistik mit der Meteorologie der Stratosphär erklär wer- den?

Wie kann die beobaclltete zeitliche Ent~i~icklung der PSCs mit mikrophysika- lischen Modellen unter Berücksichtigun der Meteorologie erklär werden?

Antwovt Die beginnende Abkühlun der Stratosphär im arktischen Winter begünstig zunächs die Bildung von festen PSC-Partikeln durch Abkühler eignisse in kalten Leewellen. Dies scheint eher die Regel als die Ausnahme zu sein, d a die Luft im arktischen Wirbel mit einer typischen Periode von nur wenigen Tagen immer wieder signifikate Abkühlereigniss erfährt die da- bei gebildeten festen PSC-Teilchen existieren weiter, solange T

<

TN,Q. Mit Unterschreitung der STS-Temperatur im weiteren Verlauf des Winters kon- densieren notwendiger\veise (zusätzlich flüssig Aerosole (STS); das typische Temperaturminimum in der Stratosphär gibt dann Anlafi zur Beobachtung der sogenannten ,,Sandwich-PSCsti mit stark rücl<streuende ,>Ibii-PSCs in der kälteste mittleren Schicht. und stark depolarisierenden, wenig rückstreuende ,,1a1'-PSCs in den wä.rmere Höhenbereiche darübe und darunter.

Was bedeutet das fü die 03-Chemie?

Antwort Chemical Box-Modelle sollten fü T

<

TsTs die heteorogene Chemie an STS-Partikeln berücksichtigen Das bedeutet hohe Reaktionsraten, aber wegen der allein relevanten tiefen Temperaturen, nur geringe beitragende Vo- lumina im arktischen Wirbel (besonders in ,,warmen1' Wintern). Im Prinzip könne die notwendigen Oberflächen und Volumendichten der flüssige Teil- chen aus den thermodynamischen Modellen und den synoptischen Tempera- turen berechnet werden.

Fü alle T < TNAT müfit zusätzlic die heteorogene Chemie an festen Salpe- tersäurehydrate (NAT?) berücksichtig werden. Die Reaktionsraten hier sind relativ klein, das beitragende Volumen des polaren Wirbels aber ist gröfle als bei den STS-PSCs; entsprechend mehr Luft kann prozessiert werden. Die Häufigkei des Auftretens von festen PSCs kann noch nicht modelliert werden, d a eine Klimatologie der offenbar entscheidenden mesoskaligen Temperaturf- luktuationen noch fehlt und der genaue Gefrierprozefi ( s o ~ ~ ~ o h l fü das Gefrieren

bei T

<

TEis als auch fü die postulierte Kondensation auf präaktivierte SAT) noch unbekannt ist. Fü kalte stratosphärisch Winter scheint jedoch das Auf- treten von gefrorenen PSC-Partikeln, die Ca. 5% der verfügbare Salpetersäur enthalten, die Regel zu sein.

Es existieren nur wenige Feldmessungen, die auf den Einflufi der Teilchenart auf die Ozonzerstörun schließe lassen. Neuber et al. [I9971 kommen mittels des Vergleichs von Ozonsondierungen mit Lidarmessungen zu dem Schluß dai3 die Höhenschichte mit klassischen Ib-PSCs weniger effektiv Ozon abbauen als Höhenbereiche in denen hauptsächlic Ia-Teilchen nachgewiesen worden sind.

Diese Beobachtung kann aber auch so interpretiert werden, dafi bei Tempe- raturfluktuationen im Polarwirbel um TsTs die Ia-Partikel übe den Beobach- tungszeitraum wesentlich länge persistierten (und damit Ozon prozessieren konnten) als die leichter ,,flüchtigen1 Ib-PSCs aus STS-Partikeln.

Anhang

Die Zeitäume währen denen in ~ ~ - A l e s u n d Lidar-Messungen durchgeführ wur- den, sind in der Tabelle

A.l

zusammengestellt. ErfaBt sind alle Winterkampagnen, die zwischen dem Winter 1988189 und 1996197 durchgeführ wurden. Die Tabel- le A.2 gibt einen Überblic übe die währen dieser Meflperioden verwendeten De- tektionskanäle Der mit dem im Rahmen dieser Arbeit konstruierte Aerosol-Ozon- Detektor wurde währen der Winterkampagnen 1995196 und 1996197 eingesetzt.

Eine Übersich übe die mit diesem System durchgeführte MeBzeiten ist in den nachfolgenden Tafeln dargest,ellt.

Die Tafeln A.1 bis A.5 geben eine visuelle Übersich übe die MeBzeiten in den Win- tern 1995196 und 1996197. Aufgetragen übe der Uhrzeit (UT) fü jeden einzelnen Mei3tag ist jedes Rohdatenprofil durch eine dünn vertikale Säul dargestellt, deren Höh den sog. ,,Channelcode" repräsentiert dies ist eine Codierung der gleichzeitig aktiven Kanäle

Ta belle A. 1 .: Zeiträume währen denen Lidar-Messungen durchgeführ wurden.

154 Winter

1988/89 1989190 1990191

Mei3beginn 5. 01. 1989 19. 01. 1989 3. 01. 1990

Mefiende 26. 04. 1989 11. 03. 1990 17. 03. 1991

A. Übersich übe die Betriebszeiten des Lidars

Tabelle A. 2. : Tabelle der verwendeten Lidar- Wellenlängen Die Wellenlänge sind i n n m angegeben und es bedeutet s: senkrecht polarisiert, p: parallel polarisiert, U : unpolarisiert.

W e r

1

³⁰⁸

1

³³²

1

³⁵³

1

³⁸⁵

1

^{532 U}

1

^{532 p}

1

^{532 s}

1

⁶⁰⁷

1

¹⁰⁶⁴ lenlänge gezähl wird. Sind z.B. nur die UV-Kanäl aktiv, so ist der Channelcode 30 (14), mit zugeschalteten VIS-Kanäle 254 (128) fŸ resp. 1995196 und 1996/97.

NofProf ist die Anzahl der aufgenommenen Profile, M.T. die Mefizeit und T.S. die von den Messungen des jeweiligen Tages Ãœberdeckt Zeitspanne.

X

T.S.: 2.99 h T.S.: 3.65 h T.S.: 19.4 h T.S.: 17.9 h

4

0 6 12 18 24

951 21 4

M.T.: 11.8 h

0 6 12 18 24

951 124

M.T.: 3.07 h T.S.: 7.98 h

951 21 3

M.T.: 3.69 h T.S.: 4.1 h

951 21 5

NofProf: 37 M.T.: 0.71 9 h T.S.: 0.733 h

951 21 6

NofProf: 208 M.T.: 4.04 h T.S.: 5.51 h

l

^NofProf: M.T.: 13.3 ⁶⁸⁵ h T.S.: 21.4 h

951 222

Abbildung A.3.:

158

9701 03

Abbildung A.5.:

160

Tabelle B.1.: Beobachtungen polarer stratosphärische Wolken i m Winter 1995196 A n den m i t ãdepol gekennzeichneten Tagen war die PSC-Schicht lediglich durch eine erhöht Depolarisation zu erkennen

Dezember 1995 bis Februar 1996 Datum Mefidauer

[Std.]

Höh [km]

PSC Rmax

532 nm

Höh [km]

Rmax

Höh [km]

T

< TNAT

B. Übersich übe die PSC-Beobachtungen

Fortsetzung der Tabelle B.1

I Dezember 1995 bis Februar 1996

Datum Meodauer [Std.]

i

^{27. I ,}

28. 1.

Höh [km]

PSC

X

Höh [km]

Tabelle B.2.: Beobachtungen polarer stratosphärische Wolken i ~ n Winter 1996197 An den m i t ,,depol" gekennzeichneten Tagen war die PSC-Schicht lediglich durch eine erhöht DepoIarisation zu erkennen.

Temperaturentwicklung uber

~ ~ - A l e s u n d

Die Abbildungen C.1 und C.2 zeigen die Höhen-Zeitschnitt der übe N j ~ - ~ l e s u n d gemessenen Temperaturen fü die beiden betrachteten Winter. In Hinblick auf die Bildungsfähigkei polarer stratosphärische Wolken des Typs I wurde die Differenz zwischen der zn sztu (mittels Radiosondenaufstiegen) gemessenen Temperatur und der berechneten K o e x i ~ t e n z t e m p e r ~ t u r von NAT (TNAT) (vgl. Kapitel 3.5.5) als Temperaturkoordinate gewählt Die Symbole oberhalb der Abbildung markieren die Startzeiten der durchgeführte Ballonsondierungen. Die dickere schwarze Linie gibt die Fläch (in 106 km2, Skala a m rechten Bildrand) innerhalb des Polarwirbels mit Temperaturen unterhalb von TNAT fü das 475 K Niveau an [von der Gathen; 19961.

Fü den gestrichelt umrandeten Höhenbereic in Abb. C.1 ist chemischer Ozonabbau nachgewiesen worden.

Abbildung C.1.: Temperaturentwicklung übe ~ ~ - A l e s u n d i m Winter 1995196.

C . T e m p e r a t urentwickl u n g ii b e r ~ . ~ - h e s u n d

Abbildung C.2.: Temperaturentwicklung übe iIryP.&esund i m Winter 1996197,

Die geographische Lage des Polarwirbels in verschiedenen Höhenniveau kann durch Karten der potentiellen Wirbelstarke veranschaulicht werden. Sie sind aus den sechsstündige Analysedaten des ECMWF berechnet [Knudsen et al., 19921.

Die Abbildungen D . l und D.4 verdeutlichen fü die beiden durchgeführte Win- terkampagnen 1995196 und 1996197 die Unterschiede in der geographischen Lage des Polarwirbels und der Bereiche kalter Temperaturen. In einer Polarprojektion der Nordhemisphare sind fü das 475

K

Niveau der potentiellen Temperatur die Wirbelstärke wahrend der Monate November bis April farbkodiert eingezeich- net. Das potentielle Temperaturniveau von 475 K entspricht einer Höh von ca. 19.7 km. Exemplarisch ist die Situation fü etwa alle zwei Wochen ausgewählt um die zeitliche Entwicklung des Polarwirbels fü jeden Winter zu veranschaulichen.

Fü das potentielle Temperaturniveau 475 K sind PV-Werte grö§ 42 PVU typisch fü den Kernbereich des Wirbels, der Rand des arktischen Wirbels liegt grob bei Ca. 36 PVU (vgl. Abschnitt 1.2.2).

Neben den PV-Karten sind analog Karten der synoptischen Temperatur auf dem- selben potentiellen Temperaturniveau von 475 K dargestellt.

D . Entwicklung der Polarwirbel

Day 46 W , . S X . . . "

475K

#,* a,

-

PV

April 15, 19%

Day 106

.*

475 ?.

Abbildung D.I.: Geographische Verteilung der potentiellen Wirbelstärk währen der Monate November 1995 bis April 1996.

Abbildung D.2.: Geogra~~Iiische Verteilung der Temperaturen währen der Monate No- vember 1995 bis April 1996 .

170

D. Entwicklung der Polarwirbel

Abbildung 0 . 3 . : Geographische Verteilung der potentiellen Wirbelstärk währen der Monate November 1996 bis April 1997.

Temperature

Abbildung D.4.: Geographische Verteilung der Temperaturen währen der Monate No- vember 1996 bis April 1997 .

Verschiedenes

E. 1. Verwendete Computerprogramme

In diesem Abschnitt möcht ich einen Überblic übe die zur Auswertung verwen- deten Programme geben.

Das Datenaufnahmeprogramm

Das in ~urbo-PascalTM geschriebene Steuerungs- und Datenaufnahmeprogramm LIDAR.EXE ist in [Ruhe, 19961 dokumentiert. Dort findet sich auch eine genaue Beschreibung des binäre Formats, in dem die Daten abgespeichert werden. Alle anderen Programme wurden unter Unix/Solaris auf workstations programmiert; es wurde Matlab-Version 5.0 benutzt.

mcstoasc, asci2mat

Zum Einlesen der Rohdatenfiles werden diese beiden externen C-Programme (die auf Georg Beyerle zurückgehen benutzt. mcstoasc liest die binäre Rohdaten ein, führ eine intelligente Zeit- und Höhenintegratio durch und speichert die resultierenden Profile als NASA-Ames-ASCII-Datei ab. In dieser Arbeit wurde die Version 1.6 vom 6.11.97 benutzt [Ruhe, 19971. Die standardisierte NASA-Ames-Datei [Gaines und Hipskind, 19901 ist das Standard-Interface zu anderen Programmen. Die Textdatei wird von asci2mat eingelesen und in eine binär .mat-Datei umgewandelt, die von Matlab gelesen werden kann.

kwiklook und lidar

Der gröfit Teil der Datenauswertung ist in den Matlab-Programmen kwiklook (seit Sommer 1997 obsolet) und lidar programmiert. Dies sind m-files, also Textdateien, die von Matlab interpretiert werden. lidar ist ein Steuerprogramm, das im we- sentlichen nachfolgende Unterprogramme aufruft (die den einzelnen Schritten der Datenauswertung entsprechen). Das Verhalten des Programms kann vom Benutzter flexibel mit dem (ASCII-)Steuerfile lidaroptions .m gesteuert werden.

1. ^dnsofnya: Update der Radiosondenprofile mittels des Unterprogramms sondenofnya; neue Profile werden in .mat-Dateien monatsweise abgespeichert.

2. mcstoraw: Einlesen der Rohdatenfiles mittels mcst oasc und asci2mat; die Höhen und Zeitauflösun und andere Details werden aus dem Steuerfile l i d a r o p t i o n s .m übernommen Abspeichern als .mat-Datei.

3. r a w t o d a t : Datenkorrekturen (Untergrund, Totzeit, Überspreche etc.) 4. a l f a b e t a : Berechnung der Rückstreuverhältnis und der Volumendepolarisa-

tion (Option ,,bckratioLL) bzw. der Rückstreukoeffiziente (Option ,,coeffici').

Raman-, Temperatur- und Ozonauswerteprogramme

0 Ramanauswertung mit dem Programm raman; der eigentliche Algorithmus ist in raman2alpha codiert.

Temperaturauswertung mit dem Programm plot-tem; der eigentliche Al- gorithmus ist in dat2temp codiert.

0 Ozonauswertung mit dem Programm piot-ozn; der eigentliche Algorithmus ist in dat2ozon codiert.

Datenbasis- und Trajektorienprogramme

Erzeugung, Verwaltung und Darstellen der Aerosoldatenbank mit dem Programm p l o t d a t a b a s e ; es könne auch Identifizierungsdaten fü aus- gewählt Mefipunkte erzeugt werden (Auswahl der Trajektorien).

Umwandlung der FU-Trajektorienfiles in das Matlab-Format mit dem Programm a w i t r a j 2mat.

Erzeugung von Trajektoriendarstellungen mit dem Programm p l o t a w i t r a j . Plotten von Rückwärtstrajektori ausgewählte Höhe und Zeiten in Ort (T ^- TNAT farbcodiert); Temperaturgeschichte; Darstellung der PV übe der Zeit; Berechung der ,,Trefferii-Information.

Im Dokument Meinen Eltern (Seite 159-186)