Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre

1. Ozonchemie im Chemie-Klima-Modell ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) Ole Kirner Institut für Meteorologie und Klimaforschung Vorlesung: Mittlere und hohe Atmosphäre 16.06.2009 Website: http://www-imk.fzk.de/~kirner

2. Modellbeschreibung

3. ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)

5. Submodels: • RAD4ALL – Strahlungsmodul • JVAL_GP – Online Photolysemodul (Photolyseraten für über 50 Substanzen) • MECCA - Gasphasenchemie. Flexibles Chemieschema Standard-Chemie beinhaltet 104 Gasphasen-Substanzen und 245 Reaktionen. • HETCHEM – Kalkulation von heterogene Reaktionsraten an NAT-, Eisteilchen und unterkühlten Schwefelsäure-aerosolen (STS) • PSC – Parameterisierung Polare Stratosphärenwolke • CLOUD – Wolkenparametrisierung, Wolkenbedeckung, Wolken-Mikrophysik, Regen-/Scheeniederschlag • OFFLEM – Emissionen als Randbedingungen • Convection – Konvektion im Model • ATTILA – Lagrangsche Transportschemata

6. Ozonchemie in der mittleren Atmosphäre

7. Ozoneinheiten Mischungsverhältnis(in ppmv) Partialdruck(in hPa) Ozonsäule in DU (1 DU=0.01 mm Höhe der Ozonsäule bei 0°C und 1atm Luftdruck)

9. Ozonsäule-Messung 1.10.2001

10. Ozonsäule-Modell 1.10.2001

11. Ozonsäule-Messung 2001

12. Ozonsäule-Modell 2001

13. 1.1 Chapman-Zyklus (1930) M ist dabei Stosspartner (Impuls- und Energiegleichgewicht). Absorptionsbande für Sauerstoff in Stratosphäre: 190-242 nm  Herzberg-Kontinuum Absorptionsbanden für Ozon in Stratosphäre 220-310 nm  Hartley-Bande 310-400 nm  Huggins-Bande 400-850 nm  Chapuis-Bande

14. 80km 80km 80km 80km 50km 50km 50km 50km 15km 15km 15km 15km 0km 0km 0km 0km 1.1.2003 log(O(1D) [ppbv]) 1.7.2003 log(O(1D) [ppbv]) 1.1.2003 O3 [ppbv] 1.7.2003 O3 [ppbv]

15. 1.2 Katalytischer Reaktionskreislauf X kann ist dabei Hydroxyl- (OH), Chlor- (Cl) oder Bromradikal (Br). Die katalytischen Reaktionskreisläufe finden nur bei Tageslicht statt.

16. 1.3 Ozonabbaureaktionen mit aktivem Stickstoff Ozonzerstörung vor allem im Bereich von 30-50km: Durch Photolyse von Stickstoffdioxid auch Ozonaufbau möglich:

17. 80km 80km 80km 80km 50km 50km 50km 50km 15km 15km 15km 15km 0km 0km 0km 0km 1.7.2003 N2O [ppbv] 1.7.2003 NOx [ppbv] 1.7.2003 NOy [ppbv] 1.7.2003 HNO3 [ppbv]

18. 1.4 Ozonabbaureaktionen mit Wasserstoffradikalen Ozonzerstörung vor allem im Bereich > 40km und < 20km: Bei hohen Mischungsverhältnissen von NOx -> Nullzyklus: Oberhalb von 40 km auch alternativ zu 1.17 bis 1.19:

19. 80km 80km 50km 50km 15km 15km 0km 0km 1.7.2003 H2O [ppmv] 1.7.2003 log(HOx [ppbv])

20. 1.5 Ozonabbaureaktionen mit aktiven Chlor und Brom Abbau von FCKW-11 Abbau von FCKW-12 Abbau von Halon-1301

21. Ozon- abbau

22. 42km 42km 30km 30km 15km 15km 72km 72km 50km 50km 32km 32km 15km 15km

23. 42km 42km 30km 30km 15km 15km 72km 72km 50km 50km 32km 32km 15km 15km

24. 1.6 Neutralisierung ozonzerstörende Radikale

25. Polare Stratosphärenwolken(PSCs) Typ 1a: Salpetersäure-Trihydrat (HNO3(H2O)3(s)) (Nitric Acid Trihydrat  NAT) Typ 1b: Unterkühlte ternäre Lösung (H2O(l), H2SO4(l), HNO3(l)) (Supercooled Ternary Solution  STS) Typ 2: Eisteilchen (H2O(s)) ( Ice) Höhe: 12-28 km Partikel-Radius: 1-15 μm (NAT), 1 μm (STS), 5 μm (Ice) Sedimentation: bis zu 3.0 km/Tag

26. Bildung von flüssigen STS-Teilchen

27. Bildung von festen NAT-Teilchen Homogene NukleationBildung von NAD aus STS bei Temperaturen 2-3 K unter TNAT. Umwandlung des metastabilen NAD zu NAT Heterogene Nukleation Bildung von NAT auf Eispartikeln, (TICE=188K) welche als Konden-sationskeime dienen TNAT in ca. 20km

28. 50km 50km 50km 50km 32km 32km 32km 32km 15km 15km 15km 15km 9km 9km 9km 9km

29. Polarer Winter Polarer Frühling 1.7 Heterogene chemische Reaktionen

30. 50km 50km 50km 50km Deydratation 32km 32km 32km 32km 15km 15km 15km 15km 9km 9km 9km 9km Denitrifizierung

31. 72km 50km 32km 15km 50km 32km 15km 0km

32. Langzeitsimulation von 1978-2050 mit ECHAM5/MESSy1

33. ECHAM5/MESSy1-Langzeitsimulation inkl. neuer NAT-Parametrisierung Räumliche Auflösung: T31L39 Zeitliche Auflösung: 15 Minuten Simulationsbeginn: 01.01.1978 Simulationsende:31.12.2050 Chemische Initialisierung:KASIMA-PEP8 Meteorologische Initialisierung:ECMWF Nudging:ungenudgte Simulation Chemie: stratosphärische Chemie Submodels: CLOUD, CONVECT, CVTRANS, DRYDEP, H2O, HETCHEM, JVAL, LNOx, MECCA, OFFLEM, PSC, PTRAC, RAD4ALL, SCAV, SEDI, TNUDGE, TROPOP

34. Langzeitsimulation 1978 bis 2050 entsprechend Simulation REF 2 WMO 2006 Randbedingungen chemischer Tracer: IPCC-A1B-Szenario [IPCC, 2001]: CO2, N2O, CH4 WMO-Szenario Ab [WMO, 2007]: FCKW-11, FCKW-12* (incl. 1,5*FCKW-113 und 0,5*H-FCKW-22), CCl4, CH3CCl3, CH3Cl, Halon-1301, Halon-1211,CH3Br Aerosole:H2SO4, konstant entsprechend 1999, abgeleitet aus SAGE Solare Variabilität: konstanter mittlerer solarer Fluss QBO: keine Zusätzliches Bry: nein Randbedingungen SST: HADGEM-Simulation des Hadley Centre, basierend auf IPCC-A1B

35. Die Randbedingungen der Langzeitsimulation

36. Zukünftige Entwicklung der Treibhausgase nach IPCC IPCC [2001]

37. 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

38. 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

39. aus WMO [2007]

40. 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa

41. Temperaturverteilungen und deren langfristige Änderung von 1980 bis 2050

44. 0.01 hPa 0.1 hPa 1 hPa 10 hPa 100 hPa 1000 hPa

48. Simulierte Ozonsäulen von 1980 bis 2060 und Vergleich mit WMO-Simulationen

50. aus WMO [2007]