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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Wasserdampfbudget im Bereich der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Während Klimamodelle die mit Wasserdampf verbundenen Klimaeffekte in der Troposphäre recht gut wiedergeben, ist die Simulation von Schlüsselprozessen, die die Wasserdampfverteilung in der Stratosphäre bestimmen, immer noch unzureichend. Dies betrifft insbesondere den Transport von Wasserdampf aus der tropischen Troposphäre in die Stratosphäre sowie die dabei auftretenden Trocknungsprozesse. Selbst moderne Modelle sind daher nicht in der Lage, die in den letzten Jahrzehnten beobachteten Schwankungen des stratosphärischen Wasserdampfs wiederzugeben. Dies ist äußerst kritisch, da neuere Analysen unterstreichen, dass Änderungen des stratosphärischen Wasserdampfs ein wichtiger Auslöser dekadischer Änderungen (Jahrzehnte) des Oberflächenklimas sind.

Messungen des IEK-7 im Rahmen tropischer Messkampagnen in Australien (SCOUT-O3), Brasilien (TROCCINOX) und Afrika (AMMA) zeigen, dass Änderungen von Wasserdampf in der Stratosphäre eng mit Änderungen des Transports von Wasserdampf durch die tropischen Tropopause zusammenhängen (Schiller et al., 2009). Dabei stellte sich die Frage, entlang genau welcher Pfade Luftmassen aus der Troposphäre in die Stratosphäre gelangen und welche Prozesse die Trocknung der feuchten troposphärischen Luft vor ihren Eintrag in die Stratosphäre bestimmen. Der Wassereintrag in die Stratosphäre ergibt sich insgesamt durch ein sehr komplexes Zusammenwirken von hochreichender Konvektion (bis ca. 15 km), einem langsamen diabatischen Aufstieg durch die tropische Übergangsschicht (TTL) und dem Ansaugen dieser Luftmassen durch den aufwärts gerichteten Zweig der durch Wellen angetriebenen Brewer-Dobson Zirkulation. Nach einer gängigen Theorie legen die Luftmassen beim langsamen Durchquerens der TTL (Zeitskala von Wochen) sehr große horizontale Entfernungen zurück (mehrfaches Umkreisen der Erde) und werden dabei in den kältesten durchquerten Gebieten „gefriergetrocknet“, bevor sie in die Stratosphäre gelangen. Trajektorienrechnungen des IEK-7 sind in guter Übereinstimmung mit dieser Theorie und zeigen, dass der Wasserdampfgehalt eines Luftpaketes vor dessen Eintritt in die Stratosphäre hauptsächlich durch die Temperatur der kältesten Region bestimmt wird, die das Luftpaket durchquert hat. Der Trocknungsprozess selbst hängt eng mit der Bildung kalter Zirruswolken zusammen.
Im Gegensatz zu den Ergebnissen kürzlich erschienener Studien, nach denen sich diese Wolken im Bereich der TTL erst bei sehr hohen Wasserdampfsübersättigungen bilden („Supersaturation Puzzle“), befinden sich die Messungen des IEK-7 im Einklang mit den gängigen Theorien. Offenbar basieren die Ergebnisse neuerer Studien auf einer zu geringen Genauigkeit der dort verwendeten Messinstrumente. Die IEK-7 Ergebnisse zeigen weiterhin, dass überschießende Konvektion (entgegen der Aussagen einiger anderer Studien) eine für den Wasserdampftransport in die Stratosphäre eine untergeordnete Rolle spielt.
Insgesamt zeigt sich, dass das vom IEK-7 entwickelte Lagrangesche Transportmodell (CLaMS) gegenüber Eulerschen Modellen eindeutige Vorteile besitzt, da die für die Trocknung wichtige „Temperaturhistorie“ eines Luftpaketes besser nachvollzogen kann. Die genaue Modellierung des Einflusses von Konvektion ist oberhalb ~16 km offenbar weniger wichtig.
Neben den beschriebenen Prozessen trägt die Oxidation von Methan und molekularem Wasserstoff in der Stratosphäre zum Wasserdampfbudget bei. Das IEK-7 hat wesentlich zur Quantifizierung dieses Effekts beigetragen, hauptsächlich durch die Analyse einer weltweit einmaligen Langzeitreihe vom Ballonmessungen, die 1978 in Jülich begonnen wurden und mittlerweile in Kooperation mit der Universität Frankfurt fortgesetzt werden (Rohs et al., 2006). Darüber hinaus untersucht das IEK-7 den möglichen Einfluss einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft auf die Entwicklung des stratosphärischen Wasserdampfs sowie mögliche Einflüsse auf die Ozonschicht und das Klima (z. B. Riese et al., 2006, Vogel et al., 2011).

C. Schiller, J.-U. Grooß, P. Konopka, F. Plöger, F. H. Silva dos Santos, N. Spelten, Hydration and dehydration at the tropical tropopause, Atmospheric Chemistry and Physics, 9, 9647-9660, 2009.

S. Rohs, C. Schiller, M. Riese, A. Engel, U. Schmidt, T. Wetter, I. Levin, T. Nakazawa, S. Aoki, Long-term changes of methane and hydrogen in the stratosphere in the period 1978-2003 and their impact on the abundance of stratospheric water vapor, Journal of Geophysical Research, 111, D14315, doi: 10.1029 / 2005JD006877, 2006.

M. Riese, J.-U. Grooß, T. Feck, and S. Rohs, Long-term changes of hydrogen-containing species in the stratosphere, Journal of Atmopheric and Solar-Terrestrial Physics, 68, 1973–1979, 2006.

Vogel, B.; Feck, T.; Grooss, J.-U., Impact of stratospheric water vapor enhancements caused by CH4 and H2O increase on polar ozone loss, Journal of Geophysical Research, 116 (2011), D 05301, 2011.


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