Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

38 Mischungseffekte durch Schwerewellen für Spurenstoffe
(M. Grygalashvyly, E. Becker, G. R. Sonnemann, A. Kirsch)
Interne Schwerewellen (GW) sind allgegenwärtige Variationen der mittleren Atmosphäre. Ihr Beitrag
zur Energie- und Impulsbilanz bestimmt die allgemeine Zirkulation der Mesosphäre/unteren
Thermosphäre (MLT-Region). Bislang gab es nur wenige Arbeiten über den Einfluss der GW auf
die Verteilung wichtiger chemischer Konstituenten in der MLT-Region. Diese Arbeiten basierten
auf 1- oder 2-dimensionalen Modellen mit stark vereinfachten Konzepten einer Gleichgewichtschemie
und linearer Dynamik der GW. Erstmalig wurde von uns ein nichtlineares 3-dimensionales
gekoppeltes Modell der Dynamik und Chemie entwickelt, um den Einfluss der GW auf die Chemie
zu untersuchen. In einer Simulation wurde das Chemie-Transportmodell (CTM) mit der vollen Dynamik
eines KMCM-Jahreslaufs, der alle Wellenlängen der GW bis herunter zu 350 km enthielt,
angetrieben. Die Wechselwirkung mit der globalen Zirkulation wurde selbstkonsistent durch ein
Turbulenzmodell berücksichtigt. In einer sogenannten Störungssimulation mit dem CTM wurden
durch spektrale Filterung alle horizontalen Wellenlängen kleiner als 1000 km aus dem Jahreslauf
des dynamischen Modells KMCM herausgefiltert.
Die residuelle Zirkulation der mittleren Atmosphäre ist durch einen Aufwärtstransport im
Sommer und einen Abwärtstransport im Winter hoher und mittlerer Breiten gekennzeichnet. Entsprechend
ist die Wasserdampfverteilung im Sommer durch hohe und im Winter durch geringere
Mischungsverhältnisse gekennzeichnet. Die Impulsdeposition durch GW treibt diese Zirkulation in
der MLT-Region an. Neben diesem großskaligen Transport kann ein Spurenstoff in der MLT-Region
Abb. 38.1: Höhen-Breitenschnitt des zonal und über den Tag
gemittelten Wasserdampfmischungsverhältnisses (a) und der
durch Schwerewellen bedingten absoluten Abweichung (b) für
den 30. Januar.
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jedoch auch direkt durch GW beeinflusst
werden, wenn ein vertikaler Gradient
seines mittleren Mischungsverhältnisses
vorhanden ist. Dies gilt insbesondere
für Spurenstoffe mit langen
Lebenszeiten verglichen mit der Periode
der GW, wie z. B. für Wasserdampf.
Die kurzlebigen Konstituenten
werden durch die Temperaturstörungen
infolge der GW über die Temperaturabhängigkeit
der chemischen Reaktionsraten
beeinflusst.
Abb. 38.1a zeigt die Wasserdampfverteilung
der mittleren Atmosphäre
berechnet mit dem CTM, während
Abb. 38.1b in einem Höhen-
Breitenschnitt die absolute Abweichung
des zonalen und täglichen Mittels
des Wasserdampfmischungsverhältnisses
für den 30. Januar zeigt,
die sich durch die explizite Berücksichtigung
der GW im CTM ergibt
(Kontrollsimulation minus Störungssimulation).
Das Maximum der positiven
Abweichung liegt oberhalb von
80 km und beträgt in hohen sommerlichen
Breiten 1,2 ppmv. Im Mesopausenbereich
besitzt der Wasserdampf
eine Lebenszeit von etwa 10 Tagen,
welche mit abnehmender Höhe stark
zunimmt, und unterliegt somit dem