LEIBNIZ-INsTITUT FöUR ATMOsPHöARENPHYsIK e. V. an der ...

11 Modellierung des mesosphärischen Wasserdampfs
(G. Sonnemann, U. Körner, Ch. Wendt)
Zum Verständnis der grundlegenden physikalischen Prozesse und Phänomene der Mesosphäre
und des Mesopausenbereichs ist die genaue Kenntnis der Spurenstoffverteilung unabdingbare
Voraussetzung, um die Wechselwirkung von Dynamik und Chemie zu beschreiben. Ein Schlüsselspurenstoff
ist mit dem Wasserdampf gegeben. Dieser ist die Hauptquelle für die mittelatmosphärischen
Wasserstoffradikale, die wiederum im katalytischen Ozonabbau die dominierende
Senke für die Oddoxygene oberhalb von etwa 45 km sind. Freigesetzt werden die Wasserstoffradikale
oberhalb von etwa 65 km vornehmlich durch die Photolyse in den Schumann-Runge Banden
und durch die Lyman-α Strahlung und darunter durch die Oxidation durch das angeregte
O( 1 D), das seinerseits aus der Photolyse des Ozons stammt.
Im sommerlichen Mesopausenbereich der hohen bis mittleren Breiten ist der Wasserdampf
unmittelbar verbunden mit den Phänomenen der leuchtenden Nachtwolken und der polaren mesosphärischen
Sommerechos. Die Wasserstoffradikale beeinflussen die Stärke und Peakhöhe der
chemischen Erwärmungsraten, die wiederum qualitativ entscheidend das thermische Regime des
Mesopausenbereichs bestimmen. Der Wasserdampf ist oberhalb von 80 km bislang nicht meßbar
und darunter nur mit einer schlechten Zeitauflösung. Die angeführten Phänomene treten
gerade in dem Höhenbereich auf, für den es keine H2O-Messungen gibt. Damit gewinnen exakte
Modellrechnungen, welche im Höhenbereich der Meßbarkeit von H2O diese Messungen in
ihrer saisonalen Variabilität bestätigen, an Bedeutung. Das chemische Transportmodell CTP,
gefüttert durch die Temperatur- und Windfelder des dynamischen Modells COMMA/IAP, wurde
gegenüber vorhergehenden Versionen durch optimierte Vektorisierung dahingehend verbessert,
dass auf unserem NEC-Rechner vieljährige Modellläufe in vertretbarer Rechenzeit möglich sind.
Die neuesten Varianten des COMMA/IAP Modells ergeben überdies wesentlich realistischere
Temperatur- und Windfelder bei erheblich verfeinerter Ortsauflösung.
Abb. 11.1 zeigt den saisonalen Verlauf des Wasserdampfmischungsverhältnisses
in 72.5 ◦ N (Nähe
ALOMAR). Zusätzlich sind durch blaue Schattierungen
die Bereiche der Übersättigung des Wasserdampfs
dargestellt. Die gestrichelten Linien entsprechen
Niveaus konstanten Luftdrucks. Der ausgeprägte
Jahresgang reflektiert das gemessene Sommermaximum
des H2O und das Minimum im
Spätwinter. Die Mischungsverhältnisse rangieren im
Bereich der Messungen und ebenso andere Details
wie die Verschiebung des Sommermaximums in den
Herbst mit abnehmender Höhe. Der Bereich der
Übersättigung korrespondiert in Höhe und Erscheinungszeitraum
sehr gut zu den NLC- und PMSE-
Beobachtungen. Die Ursache der scheinbar anomalen
jahreszeitlichen Variation des H2O besteht darin,
dass der sommerlich aufwärtsgerichtete Vertikalwind
den durch Photolyse bedingten Verlust über-
Abb. 11.1 Saisonaler Schnitt des H2O-
Mischungsverhältnisses [ppmv] für eine
Breite von 72.5 ◦ N. Die Bereiche der
Übersättigung des Wasserdampfs sind
durch blaue Schattierung dargestellt.
kompensiert. Als weiteres kommt hinzu, dass gerade in hohen Breiten durch die winterliche
Abkühlung unterhalb der mittleren Mesosphäre die Niveaus konstanten Luftdrucks erheblich
absinken. Bedingt durch die Methanoxidation bildet sich um die Stratopause ein Maximum des
H2O-Mischungsverhältnisses aus. Dieses hat wiederum zur Folge, dass der globale H2O-Fluss im
Gegensatz zu allgemeinen Ansichten in der Stratosphäre abwärtsgerichtet ist und der Träger des
Transports von Wasserstoffatomen durch den Methanfluss gegeben ist.