Asiatischer Sommermonsun beeinflusst das Klima weltweit
Über
Der asiatische Sommermonsun transportiert bodennahe Luftverschmutzung in die obere Troposphäre und untere Stratosphäre und beeinflusst dadurch das Klima weltweit. Wir untersuchen die globalen Auswirkungen des asiatischen Sommermonsuns, indem wir innovative Flugzeug- und Satellitenbeobachtungen mit prozessorientierten Modellsimulationen kombinieren.
Im Bereich des asiatischen Sommermonsun liegen die am dichtesten bevölkerten Regionen der Erde und wichtige Quellregionen von Luftverschmutzung und Treibhausgasen. Die Monsunzeit in Asien ist durch starke Konvektion über Südasien gekennzeichnet, die einerseits zu starken Regenfällen führt, aber auch zum Transport von anthropogenen Treibhausgasen und Luftschadstoffen von bodennahen Luftschichten innerhalb weniger Stunden bis in Höhen von ca. 14-15 km (obere Troposphäre und untere Stratosphäre). Im Höhenbereich von etwa 14 bis 18 km Höhe bildet der asiatische Monsun ein über etwa 3 Monate (~Juni bis August) existierendes Hochdruckgebiet, das sich in Form eines antizyklonalen Zirkulationssystem (Drehung im Uhrzeigersinn) von Ostafrika bis zum Pazifik über ganz Südasien erstreckt. Die verschmutzte Luft ist in diesem großskaligen Zirkulationssystem weitgehend isoliert von der Umgebungsluft und kann deshalb langsam in größere Höhen transportiert und danach weiter global in der Atmosphäre verteilt werden.
Der asiatische Sommermonsun ist ein wichtiger Transportweg für Spurengase und Partikel, die das Strahlungsgleichgewicht der Atmosphäre beeinflussen, wie zum Beispiel anthropogene (CO2, CH4, N2O) und natürliche (z.B. Wasserdampf) Treibhausgase, Aerosol-Vorläuferstubstanzen (z.B. NH3), sowie Aerosolpartikel. Aber auch der Transport kurzlebiger ozonabbauender Spurengase (z.B. chlor- oder bromhaltige Spurengase) in die außertropische obere Troposphäre und untere Stratosphäre verändern die chemische Zusammensetzung in diesem Teil der Erdatmosphäre. Die Quantifizierung dieser Veränderung und ihre Auswirkungen auf das Oberflächenklima ist ein wesentliches Ziel, um den Einfluss des asiatischen Sommermonsun auf das globale Klima zu bewerten. Wissenschaftler des ICE-4 leiteten mehrere Flugzeugkampagnen zur Messung der Luft innerhalb der asiatischen Monsunantizyklone und deren Transport in nördliche mittlere Breiten (z.B. nach Europa). Innovative Beobachtungen der Atmosphäre mit Flugzeugen, Ballons und Satelliten werden am ICE-4 mit prozessorientierten Modellsimulationen kombiniert, um den Einfluss des asiatischen Sommermonsuns auf das globale Klima besser zu verstehen.
Forschungsthemen
Einzigartige Flugzeugbeobachtungen über dem nordindischen Subkontinent im asiatischen Sommermonsun in 2017 liefern Messungen von Spurengasen und Aerosolpartikel in einer noch nie dagewesene zeitlichen und vertikalen Auflösung über einen Höhenbereich vom Boden bis zu ca. 20 km. Die Auswertung einer Reihe von Fernerkundungs- und In-situ Messungen von Aerosolen weisen auf einen starken Beitrag fester Ammoniumnitratpartikel zur Aerosolschicht in Höhen der Tropopause im Bereich des asiatischen Sommermonsuns hin (Höpfner et al., 2019). Messungen von Spurengasen zeigen eine stetige Abnahme von Kohlenmonoxid (CO) und einen Anstieg von Ozon (O3) bis in 20 km Höhe in der asiatischen Monsunregion, ohne dass starke Diskontinuitäten auftreten, d. h. es wurden keine vertikalen Transportbarrieren festgestellt (von Hobe et al., 2021). Ein weiteres wichtiges Ergebnis betrifft die unzureichend quantifizierten CO2-Quellen in Südasien, die stark zur Beschleunigung des globalen CO2-Anstiegs beitragen. Die gemessenen CO2-Profile werden erfolgreich durch Lagrangesche Modellsimulationen rekonstruiert, was zu einer bisher nicht möglichen Erklärung der vertikalen Struktur des Treibhausgases CO2 in der Monsunregion und zu einer besseren Quellenzuordnung führt (Vogel et al., 2023).
Erhöhte Mengen kurzlebiger ozonabbauender Spurengase (z.B. CH2Cl2) wurden im Bereich des asiatischen Monsuns beobachtet und deren Transport in die nördlichen Breiten nachgewiesen (Lauther et al., 2021). Dieser Transport könnte zu einer Verringerung der stratosphärischen Ozonschicht führen. Ein Höhepunkt aktueller ICE-4 Aktivitäten ist die Flugzeugmesskampagene PHILEAS in Alaska und Oberpfaffenhofen im Sommer 2023, bei der der westliche Teil des asiatischen Monsunantizyklons über dem östlichen Mittelmeer sowie Wirbel über dem Pazifik untersucht wurden, die verstärkt kurzlebige ozonabbauende Stoffe, Aerosolpartikel und andere Schadstoffe enthalten (Riese et al., 2024).
Die wissenschaftlichen Fortschritte, in Bezug des Transportes von Ammoniumnitrat, CO2 als auch von ozonzerstörenden Spurengase aus dem asiatischen Monsun in die globale Atmosphäre, können helfen Regulierungen anthropogenen Emissionen von Schadstoffen in Asien zu entwickeln und haben deshalb möglicherweise Auswirkungen auf politische Maßnahmen.
Auswahl von Publikationen des ICE-4
- Höpfner, M., Ungermann, J., Borrmann, S., Wagner, R., Spang, R., Riese, M., Stiller, G., Appel, O., Batenburg, A. M., Bucci, S., Cairo, F., Dragoneas, A., Friedl-Vallon, F., Hünig, A., Johansson, S., Krasauskas, L., Legras, B., Leisner, T., Mahnke, C., Möhler, O., Molleker, S., Müller, R., Neubert, T., Orphal, J., Preusse, P., Rex, M., Saathoff, H., Stroh, F., Weigel, R., and Wohltmann, I.: Ammonium nitrate particles formed in upper troposphere from ground ammonia sources during Asian monsoons, Nature Geoscience, 12, 608–612, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0385-8, 2019.
- von Hobe, M., Ploeger, F., Konopka, P., Kloss, C., Ulanowski, A., Yushkov, V., Ravegnani, F., Volk, C. M., Pan, L. L., Honomichl, S. B., Tilmes, S., Kinnison, D. E., Garcia, R. R., and Wright, J. S.: Upward transport into and within the Asian monsoon anticyclone as inferred from StratoClim trace gas observations, Atmos. Chem. Phys., 21, 1267–1285, https://doi.org/10.5194/acp-21-1267-2021, 2021.
- Lauther, V., Vogel, B., Wintel, J., Rau, A., Hoor, P., Bense, V., Müller, R., and Volk, C. M.: In situ observations of CH2 Cl2 and CHCl3 show efficient transport pathways for very short-lived species into the lower stratosphere via the Asian and the North American summer monsoon, Atmos. Chem. Phys., 22, 2049–2077, https://doi.org/10.5194/acp-22-2049-2022, 2022.
- Vogel, B., Volk, C. M., Wintel, J., Lauther, V., Müller, R., Patra, P. K., Riese, M., Terao, Y., and Stroh, F.: Reconstructing high-resolution in-situ vertical carbon dioxide profiles in the sparsely monitored Asian monsoon region, Commun. Earth Environ, 4, 72, https://doi.org/10.1038/s43247-023-00725-5, 2023.
- Riese M. and the PHILEAS Team, Quasi-horizontal transport of Asian summer monsoon air during the PHILEAS campaign in summer and autumn 2023, BAMS, 2024, in preparation.