Mischung von Treibhausgasen über dem Atlantik vermessen
- Forschungsflugzeug HALO vermisst den Austausches der Luftmassen zwischen Troposphäre und Stratosphäre
- Spurenstoffe aus Asien und Amerika gelangen über interkontinentalen Transport nach Europa
- Spurengas-Änderungen im Grenzbereich zwischen Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre beeinflussen unser Klima signifikant
- Schwerpunkt(e): Klimaforschung, Luftfahrt
Das Forschungsflugzeug HALO hat im Oktober 2017 bei Messflügen von Shannon/Irland aus den Transport und die Mischung von Treibhausgasen in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre vermessen. Die Messkampagne liefert neue Erkenntnisse über Ursprung, Verteilung und Lebensdauer der Spurenstoffe an der klimasensitiven Grenze dieser atmosphärischen Schichten. Das nationale Verbundprojekt WISE (Wave Drive ISentropic Exchange) unter der Leitung des Forschungszentrums Jülich und der Universität Mainz mit Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ermöglicht die Präzisierung heutiger Klimamodelle.
"Tropenstürme und Hurrikans über dem West-Atlantik, Frontensysteme oder der asiatische Monsun sorgen für einen sehr effektiven Transport von klimarelevanten Spurenstoffen aus Bodennähe in höher gelegene Luftschichten", erklärt Prof. Dr. Peter Hoor von der Universität Mainz, der ein Koordinator der Kampagne ist. "Die mit Wasserdampf und anderen Spurenstoffen angereicherten Luftmassen werden dann mit dem sogenannten Jetstream nach Europa transportiert und dabei vermischt, sodass die Auswirkungen dieser Wetterphänomene auch bei uns messbar werden", ergänzt Prof. Dr. Christiane Voigt vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre. „Durch die Messungen haben wir jetzt ein deutlich genaueres Bild, wie sich die Spurenstoffe über dem nördlichen Atlantik verteilen und wie Wolken die Stabilität der Atmosphärenschichten und damit die Verteilung der Spurengase beeinflussen“, so Voigt weiter.
Für die Messungen flog das vom DLR betriebene Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Aircraft) insgesamt 17 Mal über dem Atlantik. „Die Flüge dauerten in der Regel neun bis zehn Stunden und führten weit hinaus auf den Ozean“, sagt Andreas Minikin von den DLR-Flugexperimenten. "In 13 bis 14 Kilometern Höhe flog HALO meist in enger Abstimmung mit der Flugsicherung über dem transatlantischen Flugverkehr." Das Forschungsflugzeug HALO zeichnet sich durch besondere Reichweite und Flughöhe aus.
Spurengase heizen Kältezone
Die aktuelle Messkampagne bestätigte die Erkenntnisse des Jülicher Koordinators der Forschungskampagne Prof. Martin Riese, dass sich Konzentrationsänderungen der Treibhausgase Wasserdampf und Ozon im relativ kalten Bereich der Atmosphäre zwischen etwa fünf und 20 Kilometern über dem Meeresspiegel besonders stark auf die Temperatur am Boden auswirken. Gerade im sehr kalten Grenzbereich zwischen der Troposphäre und der darüber liegenden Stratosphäre beeinflussen Spurengas-Änderungen unser Klima damit signifikant.
Die wichtigen Treibhausgase Wasserdampf und Ozon konnten dabei erstmals gleichzeitig mit dem vom DLR entwickelten Differentiellen Absorptions Lidar (DIAL) mit sehr hoher Genauigkeit und großer Abdeckung vermessen werden. Darüber hinaus liefert es auch Informationen über Eigenschaften von hohen Eiswolken und deren Einfluss auf die Austauschprozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre.
Auch die Beobachtung von Stickoxiden in dieser atmosphärischen Grenzregion ist von besonderem Interesse, um die Dynamik der Austauschprozesse zwischen den Atmosphärenschichten zu erkennen. "Seit über 20 Jahren können wir die Konzentration der reaktiven Stickoxidverbindungen in der Atmosphäre mit sehr guter Genauigkeit vermessen", erklärt der Atmosphärenforscher Dr. Helmut Ziereis vom DLR Institut für Physik der Atmosphäre. "Für HALO haben wir das Instrument nochmals verbessert." Die atmosphärische Konzentration der Stickoxide wird durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Quellen bestimmt. In der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre ist neben Blitzen und Luftverkehrsemissionen die Stratosphäre selbst die größte lokale Quelle für die langlebigen Stickoxidverbindungen. Hinzu kommen natürlich auch die Stickoxide, die vom Boden nach oben transportiert werden. Daher eignet sich die Messung von Stickoxiden besonders gut als Marker zur Charakterisierung des Austausches der Luftmassen zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre.
Die Verteilung der Spurenstoffe wird über Europa durch den interkontinentalen Transport von Luftmassen aus Asien und Amerika stark verändert. Zum Nachweis von Luft aus asiatischen oder amerikanischen Regionen nutzen die Forscher das Massenspektrometer AIMS. Mit dem Messinstrument können Schwefelverbindungen und andere säurehaltige Spurenstoffe in sehr geringen Konzentrationen hochaufgelöst nachgewiesen werden, um auf die Herkunft der Luft zu schließen. "Wir möchten herausfinden, welche meteorologischen Situationen die Zusammensetzung der Luftmassen über Europa besonders stark beeinflussen und welche Prozesse die Durchmischung von Luftmassen verstärken," ergänzt Prof. Christiane Voigt vom DLR. Denn erst durch Mischung verändert sich die Zusammensetzung der Luft in der klimasensitiven oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre langfristig. "Außerdem möchten wir den Einfluss von Eiswolken auf diese atmosphärische Schicht untersuchen," so Voigt weiter. Frühere Messkampagnen mit HALO haben gezeigt, dass Eiswolken direkt den Strahlungshaushalt der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre und somit das Klima verändern. Bei WISE wurde nun von den Wissenschaftlern ergänzend erforscht, in welchem Ausmaß die Eiswolken auch den Transport und die Vermischung in dieser klimasensitiven atmosphärischen Schicht verändern können.
Die Partner
Partner im Verbundprojekt WISE (Wave-driven ISentropic Exchange) sind neben dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Mainz das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Karlsruher Institut für Technologie, die Universitäten Heidelberg, Frankfurt und Wuppertal, sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt. Die wissenschaftlichen Flüge werden von einem rund 90-köpfigen Team unterstützt.
Das Forschungsflugzeug HALO ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. HALO wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, der Helmholtz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft beschafft. Der Betrieb von HALO wird von der Deutschen Forschungs-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, dem Forschungszentrum Jülich, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Deutschen Geoforschungszentrum und dem Leibniz-Institut für Troposphärenforschung getragen. Das DLR ist zugleich Eigner und Betreiber des Flugzeugs.