„What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?“
Newman et al. 2009
-S- Mittlere Atmosphäre
WS 2009/10
Nico Becker
Hintergrund
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Hintergrund
● Ab 1859 Ammoniak als Kältemittel → giftig, führte zu Lecks in den Leitungen
● Ab 1930 Einsatz von FCKW → reaktionsträge, unbrennbar, geruchlos, ungiftig, usw.
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Hintergrund
● 1974, Molina und Rowland: Ozon könnte durch FCKWs abgebaut werden● Zerstörung von O3 durch Cl und Br in katalytischen Kreisläufen● Erhöhung der UV Strahlung als Folge
● 1985: Scientific assessment of ozone depletion
● 1987: Montreal Protokoll● Regulierung der Produktion von FCKWs und anderen ozone depleting
substances (ODS) ● Seitdem haben 193 Länder unterzeichnet
● Zwei Fragen● Wie verhalten sich ODS und O3 Konzentrationen in der Atmosphäre?● Was wäre ohne Regulierungen passiert? → the world avoided
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Verschiedene Studien
Was wäre ohne Regulierungen passiert?
● 1996, Prather et al.● 2D-Modell (latidude-altitude)● Keine Strahlung, Dynamik und Chemie
● 10% Ozonverlust bis 1999
● 2008, Morgenstern et al.● 3D CCM
● 35% mittlerer Ozonverlust in der oberen Stratosphäre bis 2030● 20% zusätzlicher Ozonverlust in den Polarregionen
● 2009, Newman et al.Update und Fortführung der früheren Modellstudien mit dem GEOSCCM bis 2065
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Übersicht
1. Ozon
2. Chemie
3. Dynamik
4. UV-Strahlung
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ExperimentDas Modell und die Simulationen
● 2° x 2,5° (lat x lon), 55 vertikale Schichten bis 0.01 hPa (80 km)
● 35 Spurengase● CO2, CH4 und N2O aus A1b Szenario● Das troposphärische Ozon wird alle 5 Tage an eine Klimatologie angepasst● PSCs werden parametrisiert (Considine et al., 2000)
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Experiment
EESC (equivalent effective stratospheric chlorine)● Berechnung: [Cl
y] + [Br
y] x 60
EECl (equivalent effective chlorine )● Konzetration am Boden● Wird im Modell als Emissionsquelle verwendet
Die Szenarien
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1. Ozon
Globales Jahresmittel des Gesamtozons
T<220K → „Ozonloch“
----- 2D Modell
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1. Ozon
Globales Jahresmittel des Gesamtozons
● Linearer Zusammenhang zwischen O3 und EESC
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1. Ozon
Zonale Jahresmittel des Gesamtozons
● Ab 2040 Ozonlochbedingungen in der Antarktis
● Ausgleich der zonalen Unterschiede
● 2065 macht das troposphärische Ozon im globalen Mittel 27 DU aus
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1. Ozon
Prozentualer Unterschied der Ozonkonzentration zwischen world avoided und reference für den Zeitraum 2055-2065
● 200 bis 30 hPaMaximale Abnahme im SH-Polarwirbel (90%)
● 5 bis 0,5 hPaBis zu 70% in den mittleren Breiten
● Abnahme in der Troposphäre durch Advektion ozonarmer Luft
● Positive Werte an tropischer Tropopause wahrscheinlich durch verstärkte Vertikalbewegung
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1. Ozon
Tropisches Ozon
Was verursacht die extreme Ozonabnahme ab 2050?
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1. Ozon
● Zusammenhang zwischen Ozonkonzentration und Temperatur
● Durch Unterschreiten der kritischen Temperatur heterogene Chemie in den Tropen möglich!
PSC I
Tropisches Ozon
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2. Chemie
Cl im „passiven Reservoir“ Cl als „aktive Radikale“
Tropen
● Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Chlorverbindungen
● Unterschreitung von 195K führt zur Bildung von Sulfatearosolen
● An deren Oberfläche werden passive in aktive Cl
y umgewandelt
➔ Ozon wird abgebaut
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2. Chemie
Arktis
● Aktive Chlorverbindungen bauen Ozon ab
● Geht das Ozon 2030 gegen null, wird der katalytische Kreislauf unterbrochen
● Dominierende Reaktion:Cl + CH4 → HCl + CH3
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2. Chemie
März: PolarnachtKeine Photolyse von Cl2O2
Ab 2035
Arktis
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3. DynamikUnterschied der Mitteltemperatur und Residualzirkulationzwischen world avioded und reference für den Zeitraum 2055-2065
Erwärmung durch Absinken
Größere Tropoausenhöhe
Abkühlung der Stratosphäre durch Rückgang der Absorption kurzwelliger Strahlung
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3. Dynamik
Unterschied der Zonalwinde im Januar zwischen „world avioded“ und „reference“ für den Zeitraum 2055-2065
SH: ● Westwinde statt
östlicher Sommerzirkulation
➔ Permanente Winterzirkulation(Nicht auf der NH)
NH:● Abgeschwächter
Polarwirbel
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4. UV-Strahlung
UV Fluss am 2 Juli 30°N bis 50°N
● Extremer Anstieg vor allem im Erythem-wirksamen Bereich unterhalb von 300 nm
● Der UV Fluss 2065 ist 109 mal stärker als 1980 (off scale)
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4. UV-Strahlung
UV Index am 2 Juli in 30°N bis 50°N
● UV Index = 30 in 2065➔ „wahrnehmbarer Sonnenbrand“ nach 5 bis 15 Minuten (Hauttyp II)
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Zusammenfassung
World Avoided
1. Ozon● Weltweit extremer Rückgang der Ozonkonzetrationen● Größte Abnahmen in oberer und unterer Stratosphäre● Plötzlicher Einbruch in den Tropen ab 2050
2. Chemie● Heterogene „Ozonloch-Chemie“ in den Tropen
3. Dynamik● Rückgang der Temperaturen durch fehlende Absorption● Geänderte Residualzirkulation● Permanente Winterzirkulation in der Antarktis
4. UV● Intensivierung vor allem Kurzwelliger UV-Strahlung und
mehrere Größenordnungen
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Quellen
● Newman et al, 2009: What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?
● Vorlesung „Die Stratosphärische Ozonschicht“ Modul „Meteorologie der mittleren Atmosphäre“, WS 2009/10, Vorlesung 5
● Natural Resources Canada’s Office of Energy Efficiency: Heating with a heat pump
● http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/Eisschrank_ca1900_1.jpg
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