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Turbulente Atmosphäre

Jülicher Forscherteams berechnen Emissionswege

Luftschadstoffe reisen um die Welt. Wie weit sie kommen, hängt davon ab, wie schnell sie bei chemischen Prozessen abgebaut werden. Jülicher Forscher folgen mit ihren Supercomputern den Spuren der Gase und ermitteln, wie die Luftverschmutzung das Klima beeinflusst.

Computersimulationen können den Weg von Schad- und Spurengase in der Atmosphäre nachvollziehen. Zwar geben Satellitenbeobachtungen und anderen Messungen wichtige Hinweise auf Emissionswege, doch können sie nicht überall und jederzeit Daten liefern.

Staatliche Emissionsberichte und Einflussfaktoren

Ausgangspunkt der Berechnungen des Jülicher Forschers Dr. Martin Schultz vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) und seines Teams sind staatliche Berichte darüber, wie viel Abgase im jeweiligen Land ausgestoßen werden. Die Forscher müssen sämtliche chemischen Vorgänge in der Luft berücksichtigen, bei denen die Schadstoffe umgewandelt oder abgebaut werden. Außerdem müssen sie den Einfluss des Windes, der Sonnenstrahlung und der Temperatur berücksichtigen.

Von Westen nach Osten: Simulation chemischer Prozesse in der Troposphäre

Das Team um Schultz hat deshalb ein existierendes Computermodell zur Simulation der chemischen Prozesse in der Troposphäre, der untersten Schicht der Atmosphäre, mit dem globalen Klimamodell ECHAM5 gekoppelt. "Damit können wir zeigen, wie die europäischen, die amerikanischen oder die asiatischen Emissionen die Verteilung von Schadstoffen in der Atmosphäre beeinflussen", erläutert Schultz.

Mit Kohlenmonoxid (CO) zum Beispiel lassen sich die Reisewege von Spurengasen gut verfolgen, da dieser Luftschadstoff erst nach ein bis zwei Monaten abgebaut wird. In dieser Zeit kann ein Luftpaket einmal die Welt umrunden. Ein Ergebnis der Simulation: CO aus europäischen Quellen wird meist in bodennahen Luftschichten über Asien in Richtung Osten transportiert, kann aber vor allem im Winter auch die Luft über weiten Teilen der Arktis verschmutzen.

Simulationsbild zur Verteilung der Emissionen in der AtmosphäreDiese Simulation zeigt heispielhaft, wie sich Emissionen des Luftschadstoffs CO aus europäischen (grün), nordamerkanischen (orange), südasiatischen (blau) und ostasiatischen (gelb) Quellen in der Atmosphäre verteilen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Von unten nach oben: Simulation chemischer Vorgänge in der Stratosphäre

Doch Schad- und Spurengase verteilen sich nicht nur von Süd nach Nord oder West nach Ost, sondern auch von unten nach oben. Dr. Rolf Müller, ebenfalls vom IEK, simuliert mit Hilfe des Jülicher Computermodells ClaMS die chemischen Vorgänge in der Stratosphäre.

In mittleren geographischen Breiten beginnt dieser Teil der Atmosphäre rund zehn bis zwölf Kilometer über dem Erdboden und damit knapp oberhalb der üblichen Flughöhe von Passagierflugzeugen. ClaMS nutzt Daten der Wetterdienste an den Knotenpunkten eines virtuellen Gitters, das den Erdball umhüllt.

Gefüttert mit Informationen über Windrichtung, Temperatur und Druck, verfolgt der Computer den Pfad einzelner stratosphärischer Luftpakete, die rund 100 Kilometer voneinander entfernt sind. Die Konzentration der Spurengase im jeweiligen Luftpaket verändert sich dabei aufgrund der simulierten chemischen Prozesse ständig.

Als bei der Auswertung von Satellitendaten erstmals auffiel, dass sich gelegentlich geringe Mengen Blausäure (HCN) in der Stratosphäre über den Tropen einfinden, konnte CLaMS erfolgreich die Verteilung dieses Spurengases nachstellen: HCN, das bei Bränden in den Tropen entsteht, steigt demnach bei speziellen Windverhältnissen bis zur Unterkante der Stratosphäre auf. Die Jülicher Modellrechnungen weisen darauf hin, dass es dann hauptsächlich durch recht langsame und stetige Vermischung in die Stratosphäre eingetragen wird – und nicht etwa sporadisch mit Hilfe der gewaltigen tropischen Gewittertürme.

Langzeitstudien geplant

Künftig wollen die Forscher um Müller den Abstand der simulierten Luftpakete verringern und mit CLaMS den tropischen Spurengaseintrag in die Stratosphäre über mehrere Jahre hinweg genauer verfolgen. "So etwas könnten wir uns gar nicht vornehmen, würde uns nur die gleiche Rechenleistung zur Verfügung stehen wie vor zehn Jahren", sagt Müller.

aus: Forschen in Jülich: Supercomputer und Simulation

Links zum Thema:

Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK)

IEK-7: Modellierung (Dr. Rolf Müller)
IEK-8: Arbeitsgruppe Globale Modellierung (Dr. Martin Schultz)



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