SOCTOC - Auswirkungen anthropogener stratosphärischer Ozonänderungen auf die Klimasensitivität und die troposphärische Oxidationskapazität - Teilprojekt: Troposphärische Chemie (SOCTOC-CHEM)
Partner
Dr. Hauke Schmidt, Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M), Bundesstr. 53, 20146 Hamburg
Dr. Roland Ruhnke, Institute of Meteorology and Climate Research, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Motivation, Ziele, Methoden
Stratosphärisches Ozon wird in der Zukunft, wie auch in der Vergangenheit, von Veränderungen sowohl der anthropogenen Halogenemissionen als auch der Brewer-Dobson-Zirkulation, d.h. der großskaligen stratosphärischen Meridionalzirkulation, beeinflusst werden. Im Projekt SOCTOC untersuchen wir Effekte dieser Ozonänderungen auf a) die troposphärische Tropopausenregion (TTL) und Klimasensitivität (Teilprojekt SOCTOC-TTL) und auf b) die Oxidationskapazität der Troposphäre und damit auf Treibhausgase und das Klima (Teilprojekt SOCTOC-CHEM).
Eine Verstärkung der Aufwärtsströmung in der tropischen Tropopause, die Klimamodelle robust für eine globale Erwärmung vorhersagen, würde die Ozonkonzentration in der unteren tropischen Stratosphäre verringern. Eine wesentliche Motivation für SOCTOC-TTL ergibt sich daraus, dass in aktuellen Publikationen der Effekt dieser Ozonänderung auf die Klimasensitivität (d.h. die Antwort der global gemittelten Temperatur auf eine Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration) sehr unterschiedlich abgeschätzt wird, mit Werten von einem vernachlässigbaren Nettoeffekt bis zu einer 25%igen Reduktion. Spezifisches Ziel von SOCTOC-TTL ist dementsprechend besser zu verstehen, wie die TTL auf globale Erwärmung reagiert, welche Rolle Ozon in der unteren Stratosphäre dabei spielt und welche Konsequenzen das für Klimasensitivität hat.
Global wird wegen des sich verringernden stratosphärischen Halogengehalts für die nächsten Jahrzehnte mit einer Erholung der Ozonschicht gerechnet. Diese würde den Anteil der solaren UV-Strahlung erhöhen, der bis in die Troposphäre eindringt, was wiederum Konsequenzen für die primäre Produktion von OH-Radikalen und damit insgesamt für troposphärische Chemie hätte, z.B. in Bezug auf die chemische Lebensdauer von Methan, das für bis zu 20% der globalen Erwärmung seit der präindustriellen Zeit verantwortlich gemacht wird. Ob Veränderungen in den Methanemissionen oder in der troposphärischen OH-Konzentration für das in den frühen 2000er Jahren beobachtete Abflachen des Methantrends verantwortlich sind, ist offen und wird in SOCTOC untersucht.
Um die Projektziele zu erreichen nutzen wir eine Hierarchie numerischer Modelle, von 1D Modellen des Strahlungs-Konvektions-Gleichgewichts (RCE) bis hin zum globalen ICON-Zirkulationsmodell mit interaktiver Chemie.
Neben den wissenschaftlichen Zielen beabsichtigen wir das atmosphärische Zirkulationsmodell ICON und seine interaktive Kopplung an Chemie-Mechanismen weiterzuentwickeln. Dieses betrifft ICON-KOnfigurationen, die über das ART-Modul sowohl an einen komplexen Chemie-Mechanismus als auch an eine wenig rechenintensive linearisierte Ozonchemie gekoppelt sind. Ziel ist es die Nützlichkeit des Linearisierungsansatzes für Klimastudien zu evaluieren. Erste Ergebnisse (Meraner et al., 2020) zeigen, dass durch Zirkulationsanomalien erzeugte Ozonvariationen qualitativ gut mit Hilfe des Cariolle-Schemas (einer der existierenden linearen Ansätze) reproduziert werden, quantitativ jedoch häufig unterschätzt werden.