Es soll im folgenden untersucht werden, ob die Herkunft der übe ~ ~ - A l e s u n d beob- achten Luftpakete eine Korrelation mit dem darin beobachteten PSC-Typ aufweist.
Solche Vergleiche in bezug auf die Temperaturgeschichte sind schon oft gemacht wor- den (vgl. Beyerle [1994]; Stebel [1998]; Wedekind [1997]; Larsen et al. [1997]) und ergaben je nach verwendeter Datenbasis oftmals inkonsistente Ergebnisse. Oft wur- den nur anhand von Fallbeispielen von einzelnen PSCs die Temperaturgeschichte auf einzelnen Höhe studiert; eine Hauptfehlerquelle sind die ungenauen Temperaturen der meteorologischen Felder und damit der berechneten Trajektorien. Die systema- tischen Fehler könne bis zu 2 K betragen und die Streuung ist (vgl. 3.5.3) ebenfalls grö§enordungsmä 5 2 K. Damit ist ein Vergleich mit den Existenztemperaturen z.B. fü NAT oder Eis oft wenig aussagekräftig
Hier wurde deshalb ein etwas anderer Weg eingeschlagen: einmal wird auch die Her- kunft der Luftpakete betrachtet, d.h. die Ortstrajektorien. Zum anderen wurde eine
4. Ergebnisse
Abbildung 4.21.: Stereographische Karte der Nordpolarregion. Die fett umrandeten Ge- biete (schwarze Identifizierungsnummern) sind nach Carslaw et al. [I9981 diejenigen Gebie- te, fü die Berechnungen eine hohe Wahrscheinlichkeit von signifikanten Abkühlereignisse i n m o u n t a i n waves vorausgesagt haben.
eher statistische Herangehensweise gewählt es sind Rückwärtstrajektori (vgl. Ab- schnitt 3.5.3 auf S. 92) fü alle relevanten Datenpunkte berechnet worden, d.h. fü alle Riickstreumessungen (auf 200 m Höhenauflösu integrierte Stundenmittel) der Aerosol-Datenbank (siehe Abschnitt 4.4.1) mit T
<
&T7.Zur Betrachtung der Korrelationen zwischen beobachteten PSC- Aerosoleigenschaften und den Rückwärtstrajektori kann nun eine beliebige Teilmenge der Daten (z.B. alle depolarisierenden PSC-Mef3punkte) ausgewähl werden; es werden dann nur die Temperatur- und Ortstrajektorien der Luftpakete dieser Teilmengen zusammen dargestellt. Dieses Vorgehen hat sich zur Betrachtung der Temperaturgeschichte bewährt d a sich aus der Schar aller Ternperaturkur- ven leicht eine mittlere Temperaturkurve berechnen lä (zusammen mit der Standardabweichung aller Kurven um die mittlere). Bei den Ortskurven ist die Analyse schwieriger, d a bei den etwa 10000 vorliegenden Trajektorien auch die einer Teilmenge sehr schnell fast jedes Gebiet der Arktis überdecken Hier wurde deshalb 'Nur fü T < T N ~ . ~ deshalb, weil fü höher Temperaturen keine PSC-Partikel beobachtet wurden.
ein anderer Ansatz gewählt fü jeden Mei3punkt mit T
<
TNAT wurde die Ortskurve daraufhin untersucht, ob sie irgendwann eines der in Abb. 4.21 definierten Gebiete trifft. Danach wird die maximale Temperatur im Zeitintervall vom letzten ,,Trefferu bis zum Beobachtungszeitpunkt sowie die Indentifizierungsnummer des letzten getroffenen Gebietes bestimmt.Damit sind objektive GrÖf3e gegeben, die direkt mit den beobachteten Aerosolei- genschaften der Datenbasis verglichen werden können
4. Ergebnisse
4.7.1.
Temperatur-RückwärtstrajektoriZunächs definiere ich die Kriterien, anhand derer die Messungen eingeteilt wurden:
überwiegen gefrorene Partikel (Ia):
1. Nach Browell: R u + & ( R u )
>
1 , l A R u - & ( R u )<
1 , 4 A *-&(JAer) >0,025 A JAer
+
&(JAer) > 0 , 3 A S^ - &(JAer)<
0,5.In Worten: Innerhalb der Fehlergrenzen liegt Ru zwischen 1,l und 1,4 und JAer zwischen 0,3 und 0,5 (auf jeden Fall > 0,025).
In Worten: Innerhalb der Fehlergrenzen liegt Ru zwischen 2,5 und 7,5, dAer zwischen 0,005 und 0,025 (auf jeden Fall
<
0 , 3 ) und es gilt T<
TNAT.2. Diese Arbeit:Ru -i?(Ru)
>
1,75 A RL + & ( R L )<
2 , 0 A JAer +&(JAer)<
0,025 A T - TSTS - 2 , 5
<
0.In Worten: Innerhalb der Fehlergrenzen liegt Ru übe 1,75, Rj. ist kleiner 2,
6^
kleiner 0,025 und die Temperatur unter TSTS.Temperaturgeschichte von überwiegen gefrorenen Partikeln
Die Temperaturgeschichten zeigen im Durchschnitt eine langandauernde (> 1 d) tiefe Temperatur T
<
TNAT vor der Beobachtung. Dafü gibt es zwei möglich Er- klärungen entweder entstehen die festen Teilchen in einem langsamen Gefrier- bzw.Kondensationsprozei3 (es kommt die Kondensation von HNOs auf präaktivierte SAT in Frage), oder die Chance des Luftpaketes, ein Abkühlereigni in einer moun- tazn Waue zu erleiden, ist gröi3er
Temperaturgeschichte von Überwiegen flüssige Partikeln
Die Temperaturgeschichten zeigen im Durchschnitt eine starke Abkühlun kurze Zeit vor der Beobachtung. Wenn feste Teilchen nur in mountazn waves bei Abkühlun unter TE;^ entstehen, sollten bei schnellen Abkühlunge von hohen Temperaturen durchschnittlich weniger feste Teilchen zu erwarten sein, d a die Luftpakete dann kaum Zeit hatten, ein Abkühlereigni zu durchlaufen.
Diese Ergebnis ist vergleichbar mit den Resultaten von [Larsen et al., 1997; Wede- kind, 19971.
la (rein) Ib (rein) 20
15-
10-
z &
----
- * - - --. .
+z 5 -
+.
+
0 -
- - -
-5 -
Abbildung 4.22.: Gemittelte Temperaturrückwärtstrajektori (Abszisse ist die Zeit in Tagen vor der Beobachtung) fü vier Fäll von PSC- Beobachtungen in IVy-Alesund: (a) fü PSCs vom T y p Ia nach Browell, (b) fü den T y p Ib nach Browell; ( C ) fü ,,reine Ib- PSCs" (diese Arbeit) und (d) fü ,,reine Ia-PSCs" (diese Arbeit). Die unterbrochenen Linien markieren die Standardabweichung der Temperaturmittelwerte.
4. Ergebnisse
4.7.2.
Statistische Analyse der OrtskurvenIm folgenden soll der Nukleationsproze der gefrorenen PSC-Teilchen untersucht werden. Dazu wurden die Rückwärtstrajektori von 8193 Mefipunkten (alle Aero- solmeflpunkte der Winter 95/96 und 96/97 mit T
<
TNAT, ,,Sonder-PSCsl' ausge- nommen) in folgende Kategorien eingeteilt:Depolarisierende Partikel beobachtet: Ja/Nein.
Als Kriterium betrachte ich wegen der mögliche Koexistenz von festen und flüssige Teilchen hier nicht die Aerosoldepolarisation S^, sondern das quer- polarisierte Rückstreuverhältn RJ_ und lege fest, da R1 - K X E(RL)
>
1 mit K=(l,2,3) als Indiz fü die Anwesenheit von festen Partikeln gelten soll.Je grö§ der Faktor K , desto signifikanter ist der Datenpunkt.
Trajektorie hat vor der Messung ein Gebiet getroffen, in dem Wellenaktivitä
wahrscheinlich ist (Gebiete nach Abb. 4.21): Ja/Nein.
Falls ,,TrefferN: War die maximale Temperatur T seit dem Verlassen des aktiven Gebiets bis zur Messung grö§ oder kleiner TNAT?
Es ergibt sich zunächst da die gro§ Mehrzahl (ca. 70%) aller Rückwärtstr jektorien mindestens einmal eines der in Abb. 4.21 definierten ,,aktivenN Gebiete
berühr hat. Das am häufigste (zuletzt) getroffene Gebiet (68% aller Treffer) ist die grönländisc Küste8 was wegen der Meteorologie und der geographischen Lage von ~ ~ - A l e s u n d ohne weiteres verständlic ist (Luftmassen ströme im Normalfall zyklonal, d.h. von West nach Ost). Es gibt jetzt zwei zu testende Hypothesen:
1. Feste Teilchen könne nur bei starken Unterkühlunge (unterhalb Tice) kon- densieren, wie sie normalerweise nur in orographisch induzierten Wellen vor- kommen. Hier gebildetes Eis sublimiert nach der Unterkühlungsphas schnell wieder, die ebenfalls gebildeten Salpetersäurehydrat bleiben übri und könne nachgewiesen werden, solange T
<
TNAT bleibt.2. Feste Teilchen könne auch ohne Wellenaktivitä entstehen, wenn die Tem- peratur lange genug unter TNAT sinkt. Als Kondensationskeime kommen nach bisherigem Stand der Forschung (vgl. Abschnitt 1.4.3) wahrscheinlich nur prä
aktivierte SAT-Teilchen in Frage, d.h. gefrorenes Hintergrundaerosol, auf dem schon einmal NAT kondesiert war.
Aufgeschlüssel nach den oben angegebenen Klassifikationskriterien ergibt sich nun die in Tabelle 4.1 angegebene Statistik (umseitig).
'Nr. 6 in Abbildung 4.21.
1
Treffer mit11
feste Teilchen1
keine festen Teilchen1
Tabelle 4.1.: Ergebnis der Ortstrajektorien-Statistik. "Treffer" bedeutet, da das L u f t - paket ein Gebiet passiert hat, in dem häufig Wellenaktivitä zu erwarten ist. T ist die höchst (synoptische) Temperatur entlang der Trajektorie vom letzten "Treffer" bis zur Beobachtung. Der Faktor K multipliziert den Fehlerbalken von RL beim Test, ob feste Teilchen beobachtet worden sind (R^ > 1). Die Gesamtzahl der betrachteten Trajektorien war 8193; davon 5793 m i t ,,TrefferN und 2400 ohne.
Feste PSC-Teilchen werden in grob einem Drittel aller Mefipunkte beobachtet. Die Haufigkeit, mit der diese festen Partikel beobachtet werden, ist in Luftpaketen mit ,,TrefferR etwa doppelt so hoch wie ohne. Wenn die synoptische Temperatur nach dem vermuteten Wellenereignis bis zur Beobachtung unter TNAT bleibt, steigt die Haufigkeit, mit der Ia-PSCs beobachtet werden, um den Faktor drei gegenübe ,,war- men" Zwischenzeiten. Die rechten drei Spalten der Tabelle zeigen, da viele ,)Tref- fertrajektorien" nicht zur Bildung von beobachtbaren Ia-Partikeln führen dies ist auch einsichtig, d a nicht jede Trajektorie uber einen Gebirgszug zu signifikanter Wellenaktivitä in der Stratosphär führ (vgl. Abb. 4.20). Die Gruppe der Trajek- torien, die in den letzten drei Tagen vor der Beobachtung nur ungestört Gebiete passiert haben, zeigt eine etwas geringere Haufigkeit fü die Beobachtung von festen Partikeln.
Z u s a m m e n f a s s e n d wird obige Hypothese 1 zwar von diesem Resultat gestützt jedoch existiert eine signifikante Anzahl von Messungen, die nur damit nicht erklär werden können D.h. es wurden zweifelsfrei feste Partikel nachgewiesen, obwohl die Ortstrajektorien keins der Gebiete berühr haben, die geeignet sind, starke Wellen- aktivitä in der Stratosphär auszulösen
Nun könnt das auch daran liegen, da (a) die Ortstrajektorien in diesen Fälle so ungenau waren, da sie eines der aktiven Gebiete scheinbar verfehlt haben, in Wirklichkeit jedoch getroffen haben oder (b) da die Karte der aktiven Gebiete (Abb. 4.21) ungenau bzw. unvollständi ist (sie stütz sich nur auf Berechnungen vom Dezember-Januar 1994195). Ein starkes Argument fü die Entstehung von fe- sten Teilchen au§erhal von Wellen liefert jedoch die Gruppe der Beobachtungen mit festen PSC-Teilchen, wo die Luftpakete aus aktiven Gebieten kommen, jedoch bis zur Beobachtung synoptisch uber TNAT erwärm worden sind; vorher in mountain waves gebildete feste Salpetersäurehydrat sollten dabei mit hoher Wahrscheinlichkeit ver-
K = 2
4 . Ergebnisse
dampfen. Auch eine Verschiebung der Grenztemperatur auf TNAT+2 K (mögliche systematischer Fehler der Trajektorientemperaturen) änder nichts wesentliches an diesem Resultat.
Das heif3t: Hypothese 2 trifft offenbar auch zu. Tatsächlic kann ja die Existenz von festen Kondensationskeimen (SAT?) aus den Lidarmessungen bis zu einer Tem- peratur von mindestens 205 K nicht ausgeschlossen werden bzw. es werden solche depolarisierenden Teilchen anscheinend auch beobachtet (Abschnitt 4.5.1).
Entstehung der ersten la-PSCs im Winter
Zu Beginn des arktischen Winters stabilisiert sich der Polarwirbel, die Temperaturen sinken. In beiden betrachteten Wintern waren die ersten dann auftretenden PSCs allein im Depolarisationskanal zu beobachten, es traten also ,,klassische" Ia-PSCs auf. Die Rückwärtstrajektori von Ort und Temperatur deuten in beiden Fälle
(18./19.12.95 und 3.14.1.97) auf eine wahrscheinliche Produktion der festen Partikel in m o u n t a i n waves an der Nordküst Grönlands die Temperatur der Luftmassen von diesem Gebiet bis zur Beobachtung war in beiden Fälle deutlich unter TNAT, jedoch nicht tief genug zur Bildung von STS-PSCs.