Bestimmung des Ozonabbaus in der arktischen und subarktischen Stratosphäre : Chemical ozone loss in the Arctic and sub-Arctic stratosphere

• Main Author: Schulz, Astrid
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: unknown
• Published: Freie Universität Berlin 2001
• Subjects: ozone loss; ozone depletion; stratosphere; Arctic; temperatures; polar vortex; Match; 500 Naturwissenschaften und Mathematik550 Geowissenschaften, Geologie550 Geowissenschaften; Arktis; Arktis*
• Online Access: https://dx.doi.org/10.17169/refubium-16957; https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/12759

Titel und Inhalt 1\. Einleitung 3 2\. Grundlegende Größen und Zusammenhänge 5 2.1. Der vertikale Aufbau der Atmosphäre und die Dynamik 5 2.2. Chemie in der Stratosphäre 14 2.3. Ozonmessungen 26 3\. Die Match Methode 30 3.1. Dynamisch bedingte Ozonvariabilität in der Arktis 30 3.2. Methoden zur Bestimmung des chemischen Ozonabbaus 32 3.3. Die Match Kampagnen 34 3.4. Match Auswertung 38 4\. Ozonverluste im Polarwirbel 46 4.1. Winter 1996/97 46 4.2. Winter 1997/98 58 4.3. Winter 1998/99 66 4.4. Vergleich der verschiedenen Jahre 71 5\. Temperaturabhängigkeit der Ozonverlustraten 75 5.1. Temperaturabhängigkeit in einzelnen Jahren 76 5.2. Generelle Temperaturabhängigkeit 79 5.3. Möglicher Einfluß von Leewellen im Winter 1997/98 83 6\. Match in mittleren Breiten 87 6.1. Ozonabbau in mittleren Breiten 87 6.2. Experimenteller Ansatz in mittleren Breiten 89 6.3. Ergebnisse und ihre Einschränkungen 90 6.4. Diskussion 100 7\. Zusammenfassung 101 Liste der Ozonsondenstationen 103 Häufig verwendete Symbole und Abkürzungen 105 Literaturverzeichnis 106 Danksagung 118 Lebenslauf 120 : Überblick # Überblick Mit Hilfe der Matchmethode, bei der Ozonsondenstarts in einem Netz von Sondierungsstationen auf der Nordhemisphäre zeitlich so koordiniert werden, daß eine möglichst große Anzahl von Luftpaketen zweifach beprobt wird, wurde der chemische Ozonabbau innerhalb des stratosphärischen Polarwirbels für drei aufeinanderfolgende Winter quantifiziert. Der nachgewiesene chemische Ozonverlust unterscheidet sich von Jahr zu Jahr erheblich. Im kältesten der drei Winter, dem Winter 1996/97, wurde im Februar und März Ozonabbau detektiert, wobei maximale Abbauraten von etwa 40 ppbv/Tag im Vortexmittel erreicht wurden. Der Gesamtumfang des chemischen Ozonverlustes war jedoch geringer als in den beiden vorhergehenden Jahren, da nur der zentrale Teil des Polarwirbels von starkem Ozonabbau betroffen war. Daß trotzdem am Ende des Winters extrem niedrige Ozonsäulendichten gemessen wurden, deutet auf einen starken dynamisch bedingten Einfluß hin. Im Winter 1997/98 waren die Temperaturen deutlich höher als in den vorhergehenden Jahren, und es wurden nur geringe Ozonverluste detektiert, die mit dem Auftreten von orographisch angeregten Schwerewellen am Rand des Polarwirbels in Zusammenhang gebracht werden konnten. Im bisher wärmsten mit der Matchmethode untersuchten Winter 1998/99 wurde kein chemischer Ozonabbau detektiert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß bei der momentanen Chlorbelastung der Stratosphäre in der Arktis das Ausmaß des katalytischen Ozonabbaus durch die Temperaturverteilung bestimmt wird. Zum erstenmal wurde innerhalb dieser Arbeit der direkte Zusammenhang zwischen den chemischen Ozonverlustraten und der Temperaturgeschichte der Luftpakete untersucht. Dabei konnte aus den Daten der Jahre 1995-2000 gezeigt werden, daß in einer isentropen Höhe von 475 K im Februar genau in denjenigen Luftpaketen statistisch signifikanter Ozonverlust auftritt, die zwischen den beiden Sondierungen oder bis zu zehn Tage vor der ersten Sondierung synoptische Temperaturen unterhalb von 193-195 K erfahren haben. Dieses Ergebnis untermauert das derzeitige Verständnis des saisonalen Ozonabbaus in den Polargebieten, wonach ein verstärkter Ozonverlust erst ausgelöst wird, wenn eine Schwellentemperatur unterschritten wird, die zu einem sprunghaften Anstieg der Konzentration des aktiven Chlors führt. Die innerhalb dieser Arbeit aus den Ozondaten bestimmte Schwellentemperatur für die betrachtete Höhe stimmt mit der in anderen Arbeiten experimentell bestimmten Schwellentemperatur für den Anstieg des aktiven Chlors überein. : Abstract # Abstract With the Match technique, which is based on the coordinated release of ozonesondes from a network of sounding stations in the Northern Hemisphere in order to obtain a large number of double probed air parcels, the chemical ozone loss inside the stratospheric polar vortex was quantified during the winters 1996/97, 1997/98, and 1998/99. Large interannual differences regarding the amount of chemical ozone loss were detected. In winter 1996/97, the coldest winter examined here, ozone loss was detected in February and March, with maximum vortex averaged loss rates around 40 ppbv/day. Overall, the ozone loss was lower than in the two preceding years, because only the inner part of the polar vortex was affected by major ozone loss. Despite this, the total ozone column densities that where observed in spring 1997 were lower compared to both years before, which indicates a large dynamical contribution. In winter 1997/98, temperatures were higher than in preceding years, and only slight ozone loss was detected, which was probably connected to lee wave formation at the edge of the polar vortex. In winter 1998/99, the warmest winter examined with Match so far, no chemical ozone loss was detected. These results demonstrate clearly that, given the present chlorine loading, the amount of ozone destruction in the Arctic stratosphere is determined by the temperature distribution. In this work, the dependence of the ozone loss rates on the temperature histories of the air parcels was analysed for the first time. Using all Match data that were obtained inside the polar vortex in an isentropic level of 475 K during the years 1995-2000, it was shown that chemical ozone loss in February occurred solely within those air parcels that experienced temperatures below 193-195 K either between the two soundings or up to ten days before the first sounding. According to the present understanding of the seasonal ozone loss in polar regions, stratospheric chlorine is activated below certain threshold temperatures, which then initiates ozone destruction. The results obtained in this work give experimental evidence for the existence of such a threshold temperature being of significance for the ozone destruction. For the altitude under consideration, the threshold temperature determined in this work agrees with the threshold temperature for chlorine activation that was observed by others.