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Ozonschicht zerstörende Substanzen

Stratosphärisches Ozon (Ozonschicht) ist ein lebenswichtiger Bestandteil der Atmosphäre, wobei es nicht mehr als einen fein verteilten zarten Schleier darstellt, der zusammengepresst auf Normaldruck lediglich eine Dicke von etwa 3 mm hätte. Es reicht aber aus, um die kurzwellige ultraviolette (UV) Strahlung der Sonne zu absorbieren und so wie ein Sonnenschutz alles Leben auf der Erde vor den zellschädigenden Wirkungen zu schützen. Die stratosphärische Ozonschicht kann durch langlebige chlor- und bromhaltige Verbindungen wie Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und Halon geschädigt werden. Ausgehend von Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Halonen, die als Treibgase, Kühl- und Schäummittel beziehungsweise als Feuerlöschmittel in der Vergangenheit eingesetzt wurden, entstehenden Chlor-Radikale, die nach komplizierten Zwischenschritten vor allem im Bereich der sehr kalten polaren Stratosphäre in der Lage sind, viele Ozonmoleküle zu spalten. In den Bereichen der Pole ist die Ozonschicht teilweise so gering, dass man vor allem während der Wintermonate von einem "Ozonloch" spricht. Zum Schutz der Ozonschicht wurde deshalb im Jahr 1987 das Montrealer Protokoll unterzeichnet. Dies wurde in Europa und Deutschland durch verschiedene Verordnungen umgesetzt. In Europa und in Deutschland sind die Herstellung und die Vermarktung von FCKW und Halonen sowie von Produkten, die diese enthalten (Spraydosen, Kühlgeräte, Feuerlöscher) weitestgehend verboten. Auch die Ersatzstoffe (H-FCKW), die ebenfalls ein Ozonschädigungspotential besitzen, wenn auch in geringerem Umfang, werden nach und nach beschränkt.

OH-Loch über dem Westpazifik entdeckt

Ein internationales Forscherteam um den Potsdamer Wissenschaftler Dr. Markus Rex hat ein bisher unbekanntes Atmosphären-Phänomen über der Südsee entdeckt. In einer Schicht, die durch ihre chemische Zusammensetzung den Transport der meisten natürlichen und menschgemachten Stoffe in die Stratosphäre verhindert, befindet sich über dem tropischen Westpazifik ein natürliches, unsichtbares Loch von mehreren tausend Kilometern Ausdehnung. Wie in einem riesigen Fahrstuhl gelangen in dieser Region viele chemische Verbindungen aus bodennahen Luftschichten ungefiltert durch die so genannte „Waschmittelschicht“ der Atmosphäre. Von Wissenschaftlern wird sie als „OH-Schicht“ bezeichnet. Das neu entdeckte Phänomen über der Südsee verstärkt den Ozonabbau in den Polarregionen und könnte – auch wegen der steigenden Luftverschmutzung in Südostasien - das künftige Klima der Erde erheblich beeinflussen.

Neue Fluorchlorkohlenwasserstoffe in der Stratosphäre entdeckt

Britische Wissenschaftler der University of East Anglia entdeckten vier neue Fluorchlorkohlenwasserstoffverbindungen (FCKW) in der Atmosphäre. Sie berichten in der Ausgabe der Nature Geoscience vom 9. März 2014, dass sich 74.000 Tonnen von FCKW-112, -112a, -113a und H-FCKW-133a in der Stratosphäre angesammelt haben. Die Wissenschaftler haben aktuelle Luftproben mit solchen aus dem Polarschnee in Grönland, die hundert Jahre zurückreichen, und Luftproben aus Tasmanien zwischen 1978 und 2012 verglichen. Nach den Messungen sind die vier neuen Gase erst kürzlich in die Atmosphäre gelangt, zwei seit den 1970er Jahren, zwei häufen sich derzeit signifikant an, besonders das FCKW-113a. Für alle bekannten FCKWs wurden seit Einführung der Beschränkungen in den 1990er Jahren keine solchen Anstiege beobachtet.

Avoiding Fluorinated Greenhouse Gases

Fluorinated greenhouse gases (F-gases) are 100 to 24,000 times more harmful to the climate than ⁠ CO2 ⁠. The contribution of fluorinated greenhouse gases to global warming is projected to triple from nearly 2% to around 6% of total greenhouse gas emissions by the year 2050. This is revealed by global projections prepared for the Federal Environment Agency in a scenario where no new measures are taken. The need for action is evident. F-gases are mostly used in  similar ways to the CFCs and halons used in the past, which are responsible for the destruction of the ozone layer in the stratosphere. Veröffentlicht in Climate Change | 08/2011.

Poster: Risiken von Solar Radiation Modification (SRM)

SRM soll die globale Erwärmung durch die Erhöhung der Albedo der Erde maskieren, zum Beispiel durch das Einbringen von Aerosolen in die Stratosphäre. Dies würde das gesamte ⁠ Klimasystem ⁠ verändern und damit weitreichende Auswirkungen auf alle Lebensbereiche haben. Die Risiken für Geopolitik, ⁠ Klimaschutz ⁠, Ökosysteme, Gerechtigkeit, Ernährungssicherheit und Wasserverfügbarkeit werden in dieser Infografik dargestellt. Veröffentlicht in Poster.

Geo-Engineering

In dieser Arbeit wird der Einfluss von sogenanntem stratosphärischen Geoengineering auf die Ozonschicht der Stratosphäre mit globalen Zirkulationsmodellen untersucht. Stratosphärisches Geoengineering soll einen globalen Abkühlungseffekt erzeugen, welcher der globalen Erwärmung entgegenwirken soll. Momentane Schätzungen gehen davon aus, dass dazu jährliche Injektionen in der Größenordnung von 1-10 Mt Schwefel notwendig sind. Diesen Schätzungen entsprechend werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, die den Einfluss auf die Ozonschicht in Funktion der Injektionsrate und einiger Schlüsselparametern zu quantifizieren suchen. Die Ergebnisse zeigen einen sehr komplexen Zusammenhang zwischen den beteiligten Prozessen. Insbesondere dem Zusammenspiel zwischen den Strahlungseigenschaften des Sulfataerosols, der stratosphärischen Zirkulation, den Polarwirbeln, und der Ozon- und Aerosolchemie scheint eine Schlüsselrolle zuzukommen. Unsere Berechnungen ergeben, dass über den Subtropen durch chemische Effekte mit einer Zunahme der Ozonschicht um bis zu 5% zu rechnen ist, während über den Polargebieten und den gemäßigten Breiten vorwiegend eine Abnahme der Ozonkonzentration um bis zu 10% zu erwarten ist. Die Resultate sind jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet, die eine korrekte Quantifikation der Implikationen des Geoengineering auf die Ozonschicht mittels Modellexperimenten als wenig wahrscheinlich erscheinen lassen. Veröffentlicht in Texte | 25/2016.

Targeting Climate Politics

This final report of the project “Geoengineering: Mögliche Synergien und Effekte mit den Sustainable Development Goals”, outlines major questions around geoengineering technologies – both Carbon Dioxide Removal (CDR) and Solar Radiation Modification (SRM) – investigating its technical and environmental components as well as anchoring it in the context of a target-driven climate and sustainability politics. Based on these components, the report provides several recommendations for policy.

Very high stratospheric influence observed in the free troposphere over the Northern Alps - just a local phenomenon?

The atmospheric composition is strongly influenced by a change in atmospheric dynamics, which is potentially related to climate change. A prominent example is the doubling of the stratospheric ozone component at the summit station Zugspitze (2962 m a.s.l., Garmisch-Partenkirchen, Germany) between the mid-seventies 15 and 2005, roughly from 11 ppb to 23 ppb (43 %). Systematic efforts for identifying and quantifying this influence have been made since the late 1990s. Meanwhile, routine lidar measurements of ozone and water vapour carried out at Garmisch-Partenkirchen (German Alps) since 2007, combined with in-situ and radiosonde data and trajectory calculations, have revealed that stratospheric intrusion layers are present on 84 % of the yearly measurement days. At Alpine summit stations the frequency of intrusions exhibits a seasonal cycle with a 20 pronounced summer minimum that is reproduced by the lidar measurements. The summer minimum disappears if one looks at the free troposphere as a whole. The mid- and upper-tropospheric intrusion layers seem to be dominated by very long descent on up to hemispheric scale in an altitude range starting at about 4.5 km a.s.l. Without interfering air flows, these layers remain very dry, typically with RH =< 5 % at the centre of the intrusion. Pronounced ozone maxima observed above Garmisch-Partenkirchen have been mostly related to a 25 stratospheric origin rather than to long-range transport from remote boundary layers. Our findings and results for other latitudes seem to support the idea of a rather high contribution of ozone import from the stratosphere to tropospheric ozone. Copyright: Author(s) 2019. CC BY 4.0 License

The MUSICA IASI CH4 and N2O products and their comparison to HIPPO, GAW and NDACC FTIR references

This work presents the methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) products as generated by the IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) processor developed during the project MUSICA (MUlti-platform remote Sensing of Isotopologues for investigating the Cycle of Atmospheric water). The processor retrieves CH4 and N2O with different water vapour and water vapour isotopologues (as well as HNO3) and uses a single a priori data set for all the retrievals (no variation in space and time). Firstly, the characteristics and errors of the products are analytically described. Secondly, the products are comprehensively evaluated by comparisons to the following reference data measured by different techniques and from different platforms as follows: (1) aircraft CH4 and N2O profiles from the five HIAPER Pole-to-Pole Observation (HIPPO) missions; (2) continuous in situ CH4 and N2O observations performed between 2007 and 2017 at subtropical and mid-latitude highmountain observatories (Izaña Atmospheric Observatory and Jungfraujoch, respectively) in the framework of the WMO-GAW (World Meteorological Organization-Global Atmosphere Watch) programme; (3) ground-based FTIR (Fouriertransform infrared spectrometer) measurements made between 2007 and 2017 in the framework of the NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) at the subtropical Izaña Atmospheric Observatory, the mid-latitude station of Karlsruhe and the Kiruna polar site. The theoretical estimations and the comparison studies suggest a precision for the N2O and CH4 retrieval products of about 1.5-3% and systematic errors due to spectroscopic parameters of about 2 %. The MUSICA IASI CH4 data offer a better sensitivity than N2O data. While for the latter the sensitivity is mainly limited to the UTLS (upper troposphere- lower stratosphere) region, for CH4 we are able to prove that at low latitudes the MUSICA IASI processor can detect variations that take place in the free troposphere independently from the variations in the UTLS region.We demonstrate that the MUSICA IASI data qualitatively capture the CH4 gradients between low and high latitudes and between the Southern Hemisphere and Northern Hemisphere; however, we also find an inconsistency between low- and high-latitude CH4 data of up to 5 %. The N2O latitudinal gradients are very weak and cannot be detected. We make comparisons over a 10-year time period and analyse the agreement with the reference data on different timescales. The MUSICA IASI data can detect day-to-day signals (only in the UTLS), seasonal cycles and long-term evolution (in the UTLS and for CH4 also in the free troposphere) similar to the reference data; however, there are also inconsistencies in the long-term evolution connected to inconsistencies in the used atmospheric temperature a priori data. Moreover, we present a method for analytically describing the a posteriori-calculated logarithmic-scale difference of the CH4 and N2O retrieval estimates. By correcting errors that are common in the CH4 and N2O retrieval products, the a posteriori-calculated difference can be used for generating an a posteriori-corrected CH4 product with a theoretically better precision than the original CH4 retrieval products. We discuss and evaluate two different approaches for such a posteriori corrections. It is shown that the correction removes the inconsistencies between low and high latitudes and enables the detection of day-to-day signals also in the free troposphere. Furthermore, they reduce the impact of short-term atmospheric dynamics, which is an advantage, because respective signals are presumably hardly comparable to model data. The approach that affects the correction solely on the scales on which the errors dominate is identified as the most efficient, because it reduces the inconsistencies and errors without removing measurable real atmospheric signals. We give a brief outlook on a possible usage of this a posterioricorrected MUSICA IASI CH4 product in combination with inverse modelling. © Author(s) 2018.

Solar Radiation Modification (SRM): Intractable Governance and Uncertain Science

Solar radiation modification is highly controversial. The implementation of invasive geoengineering technologies would entail serious and largely unforeseeable ecological, and geopolitical risks. Considerable scientific disagreement exists around the extent of the risks, how they relate to increased risks of climate change, and whether uncertainties could be resolved. In expert workshops held in 2022 the scientific, technical, and geopolitical viability and desirability of SRM was discussed. This discussion paper presents a blended overview of the academic literature on solar geoengineering and the positions expressed at expert workshops, as well as personal assessments from the authors.

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