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Simulation data from GAIA (Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy)

Abstract

Atomarer Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde

Das Projekt "Atomarer Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Atomarer Sauerstoff (O) ist ein wichtiger Bestandteil der Erdatmosphäre. Er erstreckt sich von der Mesosphäre bis zur unteren Thermosphäre (Engl.: Mesosphere and Lower Thermosphere: MLT), d. h. von etwa 80 km bis über 500 km Höhe. O wird durch Photolyse von molekularem Sauerstoff durch UV-Strahlung erzeugt. Er ist die am häufigsten vorkommende Spezies in der MLT und eine wichtige Komponente in Bezug auf dessen Photochemie. Außerdem ist O wichtig für den Energiehaushalt der MLT, da CO2-Moleküle durch Stöße mit O angeregt werden und die angeregten CO2-Moleküle im Infraroten strahlen und die MLT kühlen. Dies bedeutet, dass sich der globale Klimawandel auch auf die MLT auswirkt, denn die Erhöhung der CO2-Konzentration in der MLT führt zu einer effizienteren Kühlung und damit zu deren Schrumpfen. Die O Konzentration wird außerdem durch dynamische Bewegungen, vertikalen Transport, Gezeiten und Winde beeinflusst. Daher ist eine genaue Kenntnis der globalen Verteilung von O und seines Konzentrationsprofils sowie der täglichen und jährlichen Schwankungen unerlässlich, um die Photochemie, den Energiehaushalt und die Dynamik der MLT zu verstehen. Das Ziel dieses Projekts ist es, Säulendichten und Konzentrationsprofile von O in der MLT durch Analyse der Feinstrukturübergänge bei 4,74 THz und 2,06 THz zu bestimmen. Die zu analysierenden Daten wurden mit dem Heterodynspektrometer GREAT/upGREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz frequencies) an Bord von SOFIA, dem Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, gemessen. Dies ist eine direkte Beobachtungsmethode, die genauere Ergebnisse liefern kann als existierende indirekte satellitengestützte Methoden, die photochemische Modelle benötigen, um O Konzentrationsprofile abzuleiten. Mit GREAT/upGREAT wurden seit Mai 2014 ca. 500.000 Spektren gemessen, die vier verschiedene Weltregionen abdecken, nämlich Nordamerika, Neuseeland, Europa und Tahiti/Pazifik. Zeitliche Variationen sowie der Einfluss von Sonnenzyklen, Winden und Schwerewellen werden ebenfalls im Rahmen des Projekts untersucht. Die Ergebnisse werden mit Satellitendaten, die für Höhen von 80 bis 100 km verfügbar sind, und mit Vorhersagen eines semi-empirischen Modells verglichen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Daten die ersten spektral aufgelösten direkte Messungen von O in der MLT sind. Dies ist eine vielversprechende Alternative zur Bestimmung der Konzentration von O im Vergleich mit indirekten satellitengestützten Methoden, die auf photochemischen Modellen beruhen.

Untersuchungen zum Einfluß des Weltraumwetters auf die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre (SPEACH)

Das Projekt "Untersuchungen zum Einfluß des Weltraumwetters auf die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre (SPEACH)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Energetische Elektronen aus der Aurora und den Strahlungsgürteln sind bekannte Quellen von Stickoxiden in der Auroraregion der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60-140 km). Im polaren Winter können diese Stickoxide bis in die mittlere Stratosphäre (30—45 km) herunter transportiert werden; sie variieren dabei mit der geomagnetischen Aktivität und dem dynamischen Zustand der Atmosphäre. Hier tragen Stickoxide maßgeblich zum katalytischen Ozonabbau bei; da Ozon eine wesentliche Rolle in der Strahlungsheizung der Stratosphäre spielt, ändern sich durch den Abwärtstransport von auroralen Stickoxiden auch Temperaturen und Windfelder. Diese Änderungen der Atmosphärendynamik können die ganze Atmosphäre bis hinunter zu troposphärischen Wettersystemen betreffen. Aus diesem Grund wurde kürzlich zum ersten Mal empfohlen, geomagnetische Aktivität als Teil des solaren Forcings des Klimasystems in Klima-Chemiemodellstudien wie CMIP-6 zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Ionisationsraten, welche verwendet werden, um solche Modellexperimente anzutreiben, basieren empirisch auf Flüssen von präzipitierenden Elektronen, welche jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet sind; neue Studien legen nahe, daß es ernsthafte Probleme mit der Genauigkeit dieser Daten gibt. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre präzipitierende Elektronen verschiedener Energien beeinflussen, und welchen Einfluß diese präzipitierenden Elektronen auf die Zusammensetzung, Temperatur, und Windfelder in der mittleren Atmosphäre haben.Insbesondere werden wir untersuchen:• Wie beeinflussen vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre das Präzipitieren von Strahlungsgürtelelektronen in die Atmosphäre?• Zu welchen Energien werden präzipitierende Elektronen in den unterschiedlichen geomagnetischen Stürmen in der Magnetosphäre beschleunigt? • Welcher Energiebereich der Präzipitierenden Elektronen hat den größten Einfluss auf die Zusammensetzung und Dynamik der mittleren Atmosphäre?Dazu werden Modellsimulationen mit dem neuentwickelten VERB-4D Modell durchgeführt, welches Elektronenbeschleunigung in die Atmosphäre durch Welle-Teilchen-Wechselwirkungen mit Chorus, Plasmaspheric hiss, hiss in plumes, und EMIC-Wellen berücksichtigt. Ergebnisse werden mit NOAA POES Daten validiert. Modellierte Elektronenflüsse am Oberrand des Modells werden als Input verwendet für das neuentwickelte Klima-Chemiemodells EMAC/EDITh (Boden bis 220km). Modellierte Temperaturen und der Stickoxid-Gehalt werden anhand von Beobachtungen validiert. Fallstudien werden durchgeführt werden für geomagnetische Stürme, die durch Korotating Interaction Regions (CIR) und solare koronale Massenauswürfe (CMEs) ausgelöst wurden, um zu untersuchen, wie die verschiedenen Prozesse unterschiedliche Bereiche der Atmosphäre beeinflussen.

MIDAS: Die Erforschung von kleinskaligen Strukturen in der mittleren Atmosphaere mit Hilfe von raketengetragenen Instrumenten

Das Projekt "MIDAS: Die Erforschung von kleinskaligen Strukturen in der mittleren Atmosphaere mit Hilfe von raketengetragenen Instrumenten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Physikalisches Institut durchgeführt. Das Vorhaben dient der Untersuchung von kleinskaligen Prozessen in der Mesosphaere und unteren Thermosphaere und ihrem Einfluss auf den mittleren thermischen und dynamischen Zustand der Atmosphaere. Es werden raketengetragene Instrumente zur in-situ-Messung von kleinskaligen Dichteschwankungen des Neutralgases und des Plasmas eingesetzt. Eines der wesentlichen Ziele dieses Vorhabens besteht darin, die Bedeutung von Turbulenz fuer die Energiebilanz der oberen Atmosphaere zu klaeren und die Ursachen fuer den grossen Unterschied zwischen den Messungen turbulenter Parameter mit Raketen und mit Radars zu untersuchen. Darueberhinaus werden die Ursachen und die Bedeutung von duennen Schichten, wie z.B. der PMSE ('polar mesosphere summer echoes') studiert. Die fuer die Raketen-Messungen erforderlichen geophysikalischen Startkkriterien werden mit Hilfe von bodengebundenen Messgeraeten (Radars und Lidars), wie sie bereits im ALOMAR-Observatorium vorhanden sind, identifiziert.

Effekte durch Schwerewellen in der Thermosphäre/Ionosphäre infolge von Aufwärtskopplung

Das Projekt "Effekte durch Schwerewellen in der Thermosphäre/Ionosphäre infolge von Aufwärtskopplung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Stratosphäre (IEK-7) durchgeführt. Das Thermosphären/Ionosphären (T/I) System wird sowohl von oben (solar, geomagnetisch), als auch von unten stark beeinflusst. Einer der wichtigsten Einflüsse von unten sind Wellen (z.B. planetare Wellen, Gezeiten, oder Schwerewellen), die größtenteils in der Troposphäre bzw. an der Tropopause angeregt werden. Die vertikale Ausbreitung der Wellen bewirkt hierbei eine vertikale Kopplung der T/I mit der unteren und mittleren Atmosphäre. Vor allem der Einfluss von Schwerewellen (GW) ist hierbei weitestgehend unverstanden. Einer der Gründe hierfür ist, dass GW sehr kleinskalig sind (einige zehn bis zu wenigen tausend km) - eine Herausforderung, sowohl für Beobachtungen, als auch für Modelle. Wir werden GW Verteilungen in der T/I aus verschiedenen in situ Satelliten-Datensätzen ableiten (z.B., sowohl in Neutral-, als auch in Elektronendichten). Hierfür werden Datensätze der Satelliten(-konstellationen) SWARM, CHAMP, GOCE und GRACE verwendet werden. Es sollen charakteristische globale Verteilungen bestimmt, und die wichtigsten zeitlichen Variationen (z.B. Jahresgang, Halbjahresgang und solarer Zyklus) untersucht werden. Diese GW Verteilungen werden dann mit von den Satelliteninstrumenten HIRDLS und SABER gemessenen Datensätzen (GW Varianzen, GW Impulsflüssen und Windbeschleunigungen durch GW) in der Stratosphäre und Mesosphäre verglichen. Einige Datensätze (CHAMP, GRACE, SABER) sind mehr als 10 Jahre lang. Räumliche und zeitliche Korrelationen zwischen den GW Verteilungen in der T/I (250-500km Höhe) und den GW Verteilungen in der mittleren Atmosphäre (Stratosphäre und Mesosphäre) für den gesamten Höhenbereich 20-100km werden untersucht werden. Diese Korrelationen sollen Aufschluss darüber geben, welche Höhenbereiche und Regionen in der mittleren Atmosphäre den stärksten Einfluss auf die GW Verteilung in der T/I haben. Insbesondere Windbeschleunigungen durch GW, beobachtet von HIRDLS und SABER, können zusätzliche Hinweise darauf geben, ob Sekundär-GW, die mutmaßlich in Gebieten starker GW Dissipation angeregt werden, in entscheidendem Maße zur globalen GW Verteilung in der T/I beitragen. Zusätzlich wird der Versuch unternommen, sowohl GW Impulsfluss, als auch Windbeschleunigungen durch GW aus den Messungen in der T/I abzuleiten. Solche Datensätze sind von besonderem Interesse für einen direkten Vergleich mit von globalen Zirkulationsmodellen simulierten GW Verteilungen in der T/I. Diese werden für eine konsistente Simulation der T/I in Zirkulationsmodellen (GCM) benötigt, stellen dort aber auch eine Hauptunsicherheit dar, da eine Validierung der modellierten GW durch Messungen fehlt.

Microphysics of ice particles at the polar summer mesopause (Microlce)

Das Projekt "Microphysics of ice particles at the polar summer mesopause (Microlce)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Aerosolforschung durchgeführt. Mesospheric ice particle may nucleate in the polar summer mesopause at heights between 80-90 km and temperatures below 150 K on nanometer sized meteoric smoke particles. Under favorable conditions, they are visible from ground as noctilucent clouds. These ice particles modify the charge state of the surrounding plasma and are therefore accompanied by radar echoes, known as polar mesosphere summer echoes. Both phenomena can be observed straightforwardly by remote sensing methods from the ground and thus are valuable probes for the otherwise elusive physical and dynamical processes at the mesopause. Changes in these signals are often used to infer long term climatic trends in this height region. Despite of this importance, we are lacking fundamental knowledge about the nucleation and growth processes of ice in the thermodynamic, chemical and electrical environment of the mesopause. Progress in this understanding would significantly enhance the descriptive and predictive capabilities of mesospheric models and thus our understanding of the role of the mesopause region in the climate system. Comprehensive laboratory experiments on these processes have become possible only recently with the establishment of a new experimental setup at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), which allows to study ice nucleation on nanoparticles under realistic mesospheric conditions on well characterized mineral nanoparticles. In close collaboration between the experimental group in Karlsruhe (T. L.) and the modeling team in Kühlungsborn (M. R.) we propose to study the nucleation and growth rates of ice on realistic nanoparticles composed of typical minerals as olivine and to implement the findings into mesospheric modeling. All model results will be validated versus observational results available at the IAP Kühlungsborn. Furthermore we want to determine the optical properties of the growing mineral/ice systems to allow for a direct comparison with remote sensing signals. A parallel project (ELOMA) proposed by groups from the University of Rostock and the IAP in Kühlungsborn will complement the scheduled research with respect to the electronic and optical properties of the meteoric smoke particles.

Investigation of the mesopheric OH-Layer via FT spectroscopy and mesospheric models, OHTEMP II

Das Projekt "Investigation of the mesopheric OH-Layer via FT spectroscopy and mesospheric models, OHTEMP II" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bremen, Institut für Umweltphysik durchgeführt. The mesosphere as the link between space and atmosphere poses still many open questions to atmospheric research. Its dynamics and chemistry influence the stratosphere above the polar caps via down transport in the polar winter. In the proposed work the mesospheric OH layer above Spitsbergen (79?N) will be studied. High spectral resolution measurements by FTS and high altitude resolution measurements by LIDAR will be combined to update and validate a deexcitation model. This is embedded into a mesospheric 2-D-model which will be enhanced and will be used to model the OH layer in the mesopause region, which is part of catalytic destruction chain for ozone. The consequences for mesospheric dynamics and chemistry will be investigated. The bandwidth and the resolution of the FT spectrometer is superior to other spectrometers used to measure OH emissions. The LIDAR provides a very good altitude resolution of the OH distribution. The combination of both measurements and the model will provide new insight into the mesopause region, especially its dynamics above the arctic region.

Die Auswirkung von Gravitationswellen auf das Klima

Das Projekt "Die Auswirkung von Gravitationswellen auf das Klima" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. General Information/Objectives: This project aims to advance our understanding and process modelling of gravity waves in the atmosphere, and to improve the quality of gravity wave parametrizations for general circulation models of the atmosphere. Brief Description of the Research Project: The project is a combined effort by researchers with expertise in the observation of gravity waves, in global circulation models (GCMs) of the atmosphere, in theoretical process and data studies of gravity wave behaviour, and in parametrization development. In order to improve our understanding of observed gravity wave spectra, and to help bridge the gap between observational data and gravity wave parametrizations for GCMs, a new, 'intermediate' level of process modelling, based on stochastic hypotheses, e.g. about spectral phase information, will be developed and compared with data. The resulting 'intermediate models' will, for the first time, incorporate both monochromatic (orographic) and broadband (nonorographic) waves in a way that allows for their mutual interaction. New and improved gravity wave parametrizations for GCMs that build on the above will be developed using an intermediate model as a test-bench in addition to direct comparisons with data. A programme of carefully controlled GCM experiments, in several GCMs, will test the most promising parametrization(s) together with the spectral parametrization proposed by Hines. An innovative top boundary condition for GCMs will be developed and tested. This exploits recently-clarified dynamical principles (relating to so-called 'downward control') to avoid the need to simulate the mesosphere while preserving to good approximation the mesospheric, gravity-wave-dominated contribution to the wave-driven pumping of chemical constituents including greenhouse gases. Prime Contractor: University of Cambridge, Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics; Cambridge/UK.

Mesosphärische Dynamik, Energie und Chemie (MEDEC)

Das Projekt "Mesosphärische Dynamik, Energie und Chemie (MEDEC)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. The general purposes of MEDEC are to improve our understanding of the relations between dynamics, energetics and chemistry in the mesosphere, to evaluate the importance of these processes on the global atmosphere, and to assess the response of the mesosphere to natural and anthropogenic perturbations. The study will make use of space observations as well as of the most advanced models of the middle atmosphere. MEDEC is a consortium of several German institutions: Max Planck Institute for Meteorology in Hamburg, University of Wuppertal, Leibnitz Institute for Atmospheric Physics in Kuehlungsborn, University of Leipzig, and the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Munich. The consortium will focus on: Evaluation of chemical budgets in the mesosphere; Improvement of the formulation of radiative transfer in the middle atmosphere under non LTE conditions; Interactions between gravity waves and large scale waves in the mesosphere; Wave-zonal mean flow interactions based on space observations; Coupling between different middle atmospheric layers though the 2-day wave within the 11 year solar cycle; Critical evaluation of models based on available observation.

6-stündige Gezeiten in den mittleren Atmosphäre (QuarTA)

Das Projekt "6-stündige Gezeiten in den mittleren Atmosphäre (QuarTA)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Leipzig, Institut für Meteorologie durchgeführt. Die Dynamik der Mesosphäre und unteren Thermosphäre wird zu großen Teilen von solaren Gezeiten dominiert. Eine davon ist die 6-stündige Gezeit (quarterdiurnal tide, QDT), die unter anderem in sporadischen E-Schichten und mit Hilfe von Radar- und Satellitenmessungen beobachtet wurde. Während allerdings die ganztägigen, halbtägigen, und auch 8-stündigen Gezeiten vergleichsweise gut dokumentiert und untersucht sind, sind Beobachtungen und Analysen der - weniger starken aber nichtsdestoweniger als ein Bestandteil der dynamischen Prozesse in ihrer Gesamtheit zu sehenden - 6-stündigen Komponente bislang selten. Um diese Lücke zu schließen, werden innerhalb des QuarTA-Projekts die 6-stündigen Gezeiten und ihre Antriebsmechanismen im Detail untersucht. Die Klimatologie der Gezeiten wir mit Hilfe von Meteorradarwindmessungen, vor allem der Langzeitreihe in Collm, ergänzt durch weitere Radarmessungen, erstellt. Die globale Verteilung der Gezeitenamplituden wird mit Hilfe von Ionosonden- und GPS-Radiookkultationsmessungen sporadischer E-Schichten untersucht, und die Beobachtungen in Verbindung mit Windscherungen aus Radarmessungen und numerischen Simulationen interpretiert. Um Einblick in die hauptsächlichen Anregungsmechanismen der 6-stündigen Gezeiten zu erhalten, wird ein nichtlineares mechanistisches Zirkulationsmodell, welches auch die Anregung durch Absorption solarer Strahlung enthält, verwendet. Hierbei wird, einzeln und in Kombination, die Anregung der 6-stündigen Gezeit durch Absorption solarer Strahlung und durch nichtlineare Wechselwirkung von Gezeiten in den Simulationen ausgeschaltet, so dass die Hauptantriebsquelle erkennbar wird. Innerhalb des QuarTA-Projekts wird daher, durch die Kombination von Beobachtungen und Modellsimulationen, ein vertiefter Einblick in die Klimatologie und die Anregung der 6-stündigen Gezeiten ermöglicht, der bislang noch nicht in ausreichendem Maße gegeben ist.

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