Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

21 Photochemische Modellierung von Wasserdampf in der mittleren
Atmosphäre
(G. R. Sonnemann, U. Berger, M. Grygalashvyly)
Der Wasserdampf der mittleren Atmosphäre ist der Schlüsselkonstituent zum Verständnis der
chemischen Prozesse insbesondere in der Mesosphäre und oberen Stratosphäre. Der Grund
hierfür besteht primär darin, dass H2O die Hauptquelle der chemisch aktiven Wasserstoffradikale
ist. Diese bestimmen so gut wie ausschließlich die katalytischen Verlustprozesse der so
genannten Odd Oxygene, das sind die ungeradzahligen Sauerstoffverbindungen Ozon und der
atomare Sauerstoff. Die Absorption von solarer UV-Strahlung durch Ozon stellt nun den dominierenden
Energieinput in die mittlere Atmosphäre dar, der seinerseits die dynamischen Prozesse
entscheidend mitbestimmt. Die dynamischen Prozesse, insbesondere der vertikale Wind, beeinflussen
ihrerseits wesentlich die Wasserdampfverteilung, so dass in dieser Rückkopplung auch
eine der Ursachen für die große Variabilität in der mittleren Atmosphäre gesucht werden muss.
Es muss hierbei beachtet werden, dass die charakteristischen Zeitskalen bezüglich des vertikalen
Transports und der Chemie des Wasserdampfs in der gleichen Größenordnung liegen.
Abb. 21.1: Meridionalschnitt des Wasserdampfmischungsverhältnisses
für Südsommer-Solstitium unter Bedingung niederer Sonnenaktivität.
Der Modellierung der
Wasserdampfverteilung auf
der Basis unseres verbesserten
3D-Modells der Dynamik
und Chemie der
mittleren Atmosphäre
COMMA-IAP liegt folgende
Motivation zu Grunde:
Die Untersuchung von
Phänomenen insbesondere
wie NLC oder PMSE
in unserem Institut erfordert
auch die Kenntnis
über die Wasserdampfkonzentration
in Höhen oberhalb
von 80 km. Dieser
Höhenbereich kann aber
durch Messungen bislang
nicht oder nur ungenügend
erfasst werden. Die Messungen
(Okkultation und
Mikrowellen) weisen unter-
einander vor allem in der oberen Mesosphäre noch erhebliche Abweichungen auf. Es gibt eine
Reihe von Beobachtungen sowohl von Okkultationsmessungen (HALOE) als auch Mikrowellenmessungen,
die bislang nur unzureichend verstanden sind und auch nicht durch globale Modelle
reproduziert werden konnten. Zu diesen Befunden zählen u.a. die sehr hochreichenden hohen
Werte der H2O-Mischungsverhältnisse in hohen sommerlichen Breiten und die vertikale Doppelpeakstruktur
mit Maxima im Stratopausenbereich und der oberen Mesosphäre. Der wesentliche
Nachteil bisheriger Modelle bestand in der hohen Diffusivität des advektiven Transportschemas.
Die numerische Diffusion insbesondere im Hinblick auf die starken Gezeitenwinde führte
oberhalb der mittleren Mesosphäre zur Dissipation aller Konzentrationsgradienten. Durch die
Implementierung des quasi diffusionsfreien Walcek-Schemas gelang es, raum-zeitliche Wasserdampfverteilungsmuster
zu modellieren, die im wesentlichen den Beobachtungen entsprechen.
Abb. 21.1 zeigt einen Breitenschnitt des zonalen Mittels des Wasserdampfmischungsverhältnisses
für Südsommer-Solstitium bei niederer Sonnenaktivität. Es ist klar zu erkennen, dass gerade
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