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

Transport durch GW. In äquatorialen Breiten treten große negative Abweichungen bis etwa
−1,2 ppmv in 60 km Höhe auf.
Der direkte Transport von Spurenstoffen durch GW kann als vertikale Mischung verstanden
werden, die sich zusätzlich zu der von den GW angetriebenen residuellen Zirkulation in der oberen
Mesosphäre ergibt. Der entsprechende Wellenfluss der Spurenstoffe ist entgegengesetzt zu dem
großräumigen vertikalen Gradienten des mittleren Mischungsverhältnisses gerichtet und unabhängig
von der residuellen Zirkulation. Aus unserem numerischen Sensitivitätsexperiment können wir
den vertikalen Fluss explizit berechnen.
Dieser ist in Abb. 38.2 dargestellt und belegt, dass die Mischung durch GW tatsächlich die
Umverteilung des Wasserdampfs bestimmt. Da das Wasserdampfmischungsverhältnis mit der Höhe
abnimmt, ist der durch Schwerewellen induzierte Fluss positiv, d. h. aufwärtsgerichtet. Er hat
ein Maximum in der Sommermesopausenregion, was in Abb. 38.2 in hohen südlichen Breiten zu
erkennen ist. Die dicke rote Linie kennzeichnet den Übergang von positiver (oberhalb) zu negativer
(unterhalb) absoluter Abweichung des Wasserdampfmischungsverhältnisses (entnommen aus
Abb. 38.1b). In der Winterhemisphäre in hohen Breiten fällt die Nulllinie steil, bis unterhalb der
Stratopause, ab. Darüber erzeugen die GW entgegen der residuellen Zirkulation mit abwärtsgerichteten
Winden einen aufwärtsgerichteten Fluss.
Die Ergebnisse unserer Modellrechnungen
belegen, dass die vertikale
Mischung durch GW einen bedeutenden
Einfluss auf die Verteilung aller
wichtigen langlebigen Spurenstoffe,
wie Wasserdampf, molekularer Wasserstoff,
Kohlenstoffdioxid, Methan,
atomarer Sauerstoff und Stickstoffoxide,
hat. Diese besitzen in der MLT-
Region, je nach Konstituenten und
Höhenbereich, einen positiven oder
negativen Gradienten des Mischungsverhältnisses.
Eine zusätzliche Variabilität
ist mit den durch GW induzierten
Temperaturvariationen verbunden,
die die chemischen Reaktionsraten
und den molekularen Diffusionskoeffizienten
beeinflussen.
Die Strahlungskühlung der MLT-
Region erfolgt im Wesentlichen über
Stöße zwischen atomarem Sauerstoff
und Kohlenstoffdioxid. Der atomare
Abb. 38.2: Der durch Schwerewellen erzeugte Fluss des Wasserdampfs
für den 30. Januar. Die dicke rote Linie zeigt den
Übergang von positiver (dünne rote Linien) zu negativer (unterhalb
der roten Linien) absoluter Abweichung des Mischungsverhältnisses
an.
Sauerstoff wird abwärts und Kohlenstoffdioxid aufwärts durch Schwerewellen gemischt, so dass
GW auf diese Weise zusätzlich das thermische Regime beeinflussen. Ähnliches gilt auch für den
Einfluss der GW auf die chemischen Erwärmungsraten, die sich durch die Umverteilung der Spurenstoffe,
insbesondere von atomarem Sauerstoff, Ozon und atomarem Wasserstoff, verändern. Die
Umverteilung der langlebigen Konstituenten beeinflusst darüber hinaus indirekt die Komposition
kurzlebiger Spurenstoffe, wie die der Wasserstoffradikale oder des Ozons und atomaren Sauerstoffs.
Das hat wiederum Auswirkungen auf die katalytischen Prozesse des Abbaus von Ozon und
atomarem Sauerstoff oder auf die Balance zwischen Wasserdampf und molekularem Wasserstoff.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die internen Schwerewellen einen erheblichen, direkten
Einfluss auf die chemische Komposition und das thermische Regime in der MLT-Region
besitzen, der bislang in Klima-Chemiemodellen kaum berücksichtigt wurde.
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