Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause

• Antragstellerin: Dr. Ines Tritscher
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310479827

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Polare Stratosphärenwolken (PSCs) und kalte, stratosphärische Aerosole spielen eine wichtige Rolle bei der polaren Ozonzerstörung. PSCs ermöglichen oberflächenkatalysierte Reaktionen, die die anthropogenen Chlorverbindungen besonders effizient in Ozon zerstörende Spezies umwandeln. Die Sedimentation heranwachsender PSC-Teilchen kann eine irreversible Umverteilung des stratosphärischen Wassers und der Salpetersäure hervorrufen. Die dadurch veränderte Zusammensetzung der stratosphärischen Gasphase begünstigt zusätzlich die Ozonzerstörung, da das Fehlen von Stickoxiden eine Deaktivierung des Chlors verlangsamen. Im Rahmen des DFG-Projekts “Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause” wurde das Chemisch Langrangesche Modell der Stratosphäre (CLaMS) weiterentwickelt. Das PSC Schema umfasst jetzt unterkühlte, ternäre Lösungstropfen (engl. supercooled ternary solution, STS), Kristalle der Salpetersäure, sogenannten NAT-Partikel (engl. Nitric Acid Trihydrate) und Wassereis und hat zu einer wesentlichen Verbesserung der Darstellung der Wolkenphysik in CLaMS beigetragen. Wir haben verschiedene arktische und antarktische Winter auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen bis hin zu einzelnen Wolkendetails untersucht. Die Übereinstimmung von CLaMS mit PSC Messungen von den satellitengestützten Instrumenten CALIOP und MIPAS ist überzeugend. Auch CLaMS Simulationen von HNO3 und H2 O in der Gasphase stimmen mit Spurengasmessungen von MLS überein. Die gleichzeitigen Beobachtungen von CALIOP, MIPAS und MLS ermöglichen eine beispiellose, klimatologische Sicht auf den gesamten Polarwirbel in der Nord- und Südhemisphäre. Diese Messungen haben unser Verständnis von PSC-Bildungsmechanismen und verwandter Dynamik voran gebracht. Die SPARC Polar Stratospheric Cloud initiative wurden zu einem wichtigen Bestandteil des DFG-Projekts und führte zur Veröffentlichung eines umfassenden Beitrages in Reviews of Geophysics. Wir haben ein internationales Team von Wissenschaftlern zusammengebracht, die sich mit satelliten-, boden- und flugzeuggestützten Messungen sowie mit Theorien und Modellen befassen. Aus der Synthese aller Informationen wissen wir nun, dass STS-NAT-Gemische die vorherrschende Zusammensetzung von PSCs während eines Großteils des Winters in beiden Hemisphären sind und dass die Aufnahme von Salpetersäure in der Gasphase durch die Wolken stark davon abhängt, wie schnell sich die Luft abkühlt. Wir sind jetzt zuversichtlich, dass sich NAT Partikel bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts bilden, vermutlich unter Beteiligung von meteoritischem Staub als Nukleationskern. Viele globale Modelle liefern vernünftige Ozonabbau-Ergebnisse für kalte antarktische Winter, obwohl sie nur grobe Darstellungen von PSCs enthalten. Bei Temperaturen, die in der Nähe der PSC-Bildungsschwelle liegen, wird ein genaues PSC-Schema bedeutsam und liefert wesentlich bessere Modellergebnisse als einfache Näherungen. Daher ist es nach wie vor wichtig, die PSC-Prozesse besser zu verstehen und im Detail zu simulieren, insbesondere wenn man die Auswirkungen von PSCs angesichts des sich ändernden Klimas betrachtet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A climatology of polar stratospheric cloud composition between 2002 and 2012 based on MIPAS/Envisat observations, Atmos. Chem. Phys., 18, 5089-5113
  Spang, R., Hoffmann, L., Müller, R., Grooß, J.-U., Tritscher, I., Höpfner, M., Pitts, M., Orr, A., and Riese, M.
  
• On the discrepancy of HCl processing in the core of the wintertime polar vortices, Atmos. Chem. Phys., 18, 8647-8666
  Grooß, J.-U., Müller, R., Spang, R., Tritscher, I., Wegner, T., Chipperfield, M. P., Feng, W., Kinnison, D. E., and Madronich, S.
  
• Lagrangian simulation of ice particles and resulting dehydration in the polar winter stratosphere, Atmos. Chem. Phys., 19, 543-563
  Tritscher, I., Grooß, J.-U., Spang, R., Pitts, M. C., Poole, L. R., Müller, R., and Riese, M.
  
• Mountain-wave-induced polar stratospheric clouds and their representation in the global chemistry model ICON-ART, Atmos. Chem. Phys., 21, 9515–9543
  Weimer, M., Buchmüller, J., Hoffmann, L., Kirner, O., Luo, B., Ruhnke, R., Steiner, M., Tritscher, I., and Braesicke, P.
  
• Polar stratospheric clouds: Satellite observations, processes, and role in ozone depletion. Reviews of Geophysics, 59, e2020RG000702
  Tritscher, I., Pitts, M. C., Poole, L. R., Alexander, S. P., Cairo, F., Chipperfield, M. P., Grooß, J.-U., Höpfner, M., Lambert, A., Luo, B.P., Molleker, S., Orr, A., Salawitch, R., Snels, M., Spang, R., Woiwode, W. and T. Peter