Authors:	Lachnitt, Hans-Christoph
Title:	Untersuchung von Spurengasaustausch an Transportbarrieren mit flugzeuggetragenen Messungen in der unteren Stratosphäre
Online publication date:	20-Sep-2023
Year of first publication:	2023
Language:	german
Abstract:	Die obere Troposphäre und untere Stratosphäre (UTLS) ist eine Übergangsregion zwischen den beiden sehr unterschiedlichen Atmosphärenschichten Troposphäre und Stratosphäre. Die Zusammensetzung und die Verteilung von Spurengasen in der UTLS hat einen großen Einfluss auf das Strahlungsbudget der Atmosphäre und damit auf das Erdklima. Innerhalb der UTLS gibt es verschiedene Transportbarrieren, die einen direkten Austausch zwischen verschiedenen Regionen, bzw. Atmosphärenschichten (Höhenbereichen) erschweren. So trennt beispielsweise die Tropopause stratosphärische und troposphärische Luftmassen, oder im späten Winter der untere Bereich des Polarwirbels Luftmassen aus den polaren Regionen und den mittleren Breiten. Ein Weg diese Barrieren zu Überwindung ist zum Beispiel schwerewelleninduzierte Turbulenz. Diese ermöglicht auch in der stabil geschichteten Stratosphäre einen nicht-isentropen Austausch und Mischung. Direkte Beobachtungen in solchen Bereichen sind selten und daher mit einigen Unsicherheiten behaftet. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von kleinskaligen Mischungsprozessen an solchen Transportbarrieren im Rahmen von drei Fallstudien. Grundlage für die Untersuchungen sind flugzeuggetragene Spurengasmessungen von N2O, CO und O3, während der Messkampagnen DEEPWAVE, GW-LCYCLE II und SouthTRAC. Die zeitliche Auflösung der Messdaten von 1 bis 100 Hz erlaubt die Analyse von kleinskaligen Austauschprozessen auf Skalen kleiner als 200m. Die Messdaten werden mit Hilfe von Zeitreihen-, Korrelations- sowie Zeit-Frequenz-Analysen auf Mischung untersucht. Ferner erlauben Daten aus numerischen Modellen (ECMWF) die Messdaten in einen größeren Kontext der meteorologischen Verhältnisse zu setzen. Der Effekt von schwerewelleninduzierter turbulenter Mischung auf die Zusammensetzung der untersten Stratosphäre konnte im Rahmen eines Messflugs über den Gebirgsrücken der Südalpen untersucht werden. Dabei können durch die Verwendung der Spurengaskorrelationen zwei Luftschichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung identifiziert werden, zwischen denen irreversibles Mischen stattgefunden hat. Spektrale Analysen der Messdaten (spektrale Leistungsdichte, Wavelet-Analyse) sowie Analysen der atmosphärischen Stabilität aus Modelldaten zeigen deutliche Hinweise auf Turbulenz über dem Gebirge, die in Verbindung mit Schwerewellen in der Tropopausenregion aufgetreten ist. Die schwerewelleninduzierte Turbulenz führt zu diabatischen Spurengasflüssen, die die chemische Zusammensetzung in der unteren Stratosphäre nachhaltig verändern. In einer zweiten Fallstudie konnte erstmals Mischung, die aus Spurengaskorrelationen abgeleitet wurde, direkt mit turbulenten Flüssen in Verbindung gebracht werden. Auf mehreren Flughöhen zeigen die Spurengaskorrelationen an einer Tropopausenfalte deutliche Mischungslinien zwischen troposphärischen und stratosphärischen Luftmassen. Die Berechnung von vertikalen Spurengasflüssen hat ergeben, dass diese Mischungslinien gemeinsam mit lokalen vertikalen Spurengasflüssen auftreten. Durch die spektrale Analyse der Messdaten (spektrale Leistungsdichte, Wavelet-Analyse) wurden eindeutige Hinweise auf Turbulenz im Bereich der Mischungslinien gefunden. Weiterführende Analysen von Modelldaten deuten darauf hin, dass die Turbulenz in diesem Fall durch Scherung des Windes induziert wird. Die Analysen zeigen, dass Turbulenz an Tropopausenfalten lokale Spurengasflüsse erzeugen kann und es dadurch zu irreversibler Mischung von Luftmassen aus der Troposphäre und der Stratosphäre gekommen ist. Dieser direkte Zusammenhang von Korrelationen und turbulenter Mischung konnte vorher noch nicht beobachtet werden. In einer dritten Fallstudie konnte der Einfluss von Turbulenz auf Mischung und den Export von Luftmassen aus dem Polarwirbel nachgewiesen werden. Messungen von Spurengasen, die in turbulenten Regionen am Rand des antarktischen Wirbels stattfanden, zeigen deutliche Mischungssignale in der Stratosphäre. Die Messungen und die Modelldaten zeigen, dass dabei Luftmassen gemischt wurden, die in einem Fall aus dem polaren Wirbel stammen und chemisch im Wirbel prozessiert worden sind. Diese werden mit nichtprozessierter Luft aus mittleren Breiten gemischt. Aus den Beobachtungen lässt sich ferner schließen, dass die Turbulenz durch Schwerewellen verursacht wurde, die wiederum dafür verantwortlich ist, dass ozonarme Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten gelangen konnte. Die Ergebnisse der drei Fallstudien erweitern das Verständnis von Mischungsprozessen an den Transportbarrieren. Die Fallstudien unterstreichen auch die Bedeutung der Spurengasdiagnostik, um die Auswirkung von kurzlebigen Prozessen, wie Turbulenz, auf die Zusammensetzung der UTLS zu untersuchen. Die Spurengasverteilung ist charakteristisch für irreversible diabatische Prozesse und kann daher für eine bessere quantitative Abschätzung von kleinskaligen diabatischen Prozessen zu irreversiblem Austausch sorgen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9496
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-91bbce30-d1dc-4d00-ba50-79f28a095d7d2
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	viii, 160 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen