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

Abb. 1.4: Temperaturabweichungen in
70 km Höhe über Kühlungsborn nach
LIMA (schwarz). Der Fit (rot) beinhaltet
einen linearen Trend, die solare Aktivität
(Ly α , grün) und die Variation von Ozon
(blau, siehe Text). Die Dreiecke markieren
Vulkanausbrüche.
Kurve sehr gut. Der Abfall der Temperaturen in der
Mitte der 1980er Jahre deckt sich mit einem ähnlichen
Abfall der Ozonkonzentration. Man erkennt
außerdem, dass die sprunghaften Abkühlungen mit
Vulkaneruptionen zusammenfallen, wobei nur Vulkane
mit merklichen Auswirkungen in der Stratosphäre
markiert sind (El Chichon am 28. 3. 1982, Mt. Pinatubo
am 2. 4. 1991 und, mit weniger Auswirkungen, Mt.
Agung am 18. 2. 1963). Es liegt die Vermutung nahe,
dass ein Teil der temporären Ozon- und Temperaturabnahme
in der Stratosphäre auf diese Vulkanausbrüche
zurückzuführen ist. Hinzu kommt die langzeitliche
Entwicklung der Ozonkonzentration. Es bleibt zu
erwähnen, dass die Ozonkurve in Abb. 1.4 repräsentativ
für die zeitliche Entwicklung der Säulendichte
von Ozon ist (diese zeigt ein ähnliches zeitliches Verhalten).
Wir wollen die möglichen Ursachen für den zeitlichen Verlauf der Ozonkonzentration in der
Stratosphäre an dieser Stelle nicht näher untersuchen. Fest steht, dass dabei eine Reihe von Faktoren
eine Rolle spielt, wie z. B. die FCKW-Konzentrationen, Vulkanausbrüche sowie die allgemeine
Entwicklung der meteorologischen Hintergrundbedingungen in der Stratosphäre. Die Abkühlung
der Stratosphäre und das damit einhergehende Schrumpfen der Atmosphäre führen dann zu einer
Abkühlung in der Mesosphäre.
Abb. 1.5: Temperaturabweichungen in
70 km Höhe über Kühlungsborn nach LIMA
(schwarz). Beiträge von Spurengasänderungen
in der oberen Stratosphäre und Mesosphäre:
Kohlendioxid (rot), Ozon (blau) und Kombination
von beiden (grün). Die Dreiecke
markieren Vulkanausbrüche.
Um die einzelnen Beiträge zu den Temperaturtrends
zu isolieren, wurden Modellläufe von LIMA
mit verschiedenen Szenarien des Anstiegs von Spurengasen
durchgeführt. Die Zeitabhängigkeit der Spurengaskonzentrationen
orientiert sich so gut wie möglich
an Messreihen. Dies betrifft zunächst den globalen
Anstieg von CO 2 , der aus einer Datenbank von
NOAA entnommen wurde. Bezüglich Ozons gibt es
leider keine Messreihen über einen genügend großen
Höhen- und Zeitbereich. Wir verwenden daher die
SBUV-Messungen ab dem Jahre 1979 sowie, für die
Zeit davor, die Klimatologie aus dem jüngsten WMO-
Bericht. Beim Vergleich von verschiedenen LIMA-
Läufen sei daran erinnert, dass jedwede Trends unterhalb
von ca. 35 km durch die Adaption von ECMWF
automatisch mitberücksichtigt sind. Wir wollen diese
Trends im Folgenden als „ECMWF-Trends“ bezeichnen.
Trends in CO 2 und O 3 wirken sich also in erster Linie in der Mesosphäre und im Übergangsgebiet
(ca. 35–45 km) aus. Es wurden folgende Läufe durchgeführt: a) nur ECMWF-Trends, b)
ECMWF-Trends plus CO 2 -Trends, c) ECMWF-Trends plus O 3 -Trends, d) ECMWF-Trends plus
CO 2 - plus O 3 -Trends. In Abb. 1.5 sind zunächst die Temperaturabweichungen für Lauf d) dargestellt,
also Trends in ECMWF plus CO 2 plus O 3 (diese Kurve ist identisch mit derjenigen in
Abb. 1.4). Außerdem sind die Differenzen zwischen folgenden Läufen dargestellt: Lauf b) minus
a) (enthält also nur den CO 2 -Effekt), Lauf c) minus a) (enthält also nur den O 3 -Effekt) sowie
Lauf d) minus a) (enthält also den Effekt von CO 2 plus O 3 ). Man erkennt aus Abb. 1.5, dass der
CO 2 -Anstieg in der Mesosphäre eine Abkühlungsrate von ca. −0,91 K/Dekade bewirkt, die sich
über den gesamten Zeitraum nicht ändert. Der reine Ozoneffekt liegt etwa in der gleichen Größenordnung,
weist jedoch eine komplexere zeitliche Struktur auf. Die gesamte Temperaturänderung
ist eine Überlagerung dieser komplexen Verläufe. Zum Vergleich mit den Phasenhöhenmessungen
haben wir die gesamte Temperaturänderung aus LIMA (Abb. 1.2) im Zeitraum 1961–1997 über die
27