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Sauerstoffabnahme im Ozean: Implikationen für die N2O Produktion und die Atmosphäre

N2O ist ein wichtiges Treibhausgas und seine atmosphärische Lebensdauer ist ausreichend lang, um in die Stratosphäre zu gelangen wo es an ozonabbauenden photochemische Reaktionen beteiligt ist (de Bie et al. 2002). Der Ozean ist eine bedeutende Quelle von N2O und macht etwa 35% der natürlichen Quellen aus. Die mikrobielle Produktion von N2O (NH4+-Oxidation, Nitrifizierer-Denitrifikation, Denitrifikation) wird weitgehend über die Konzentration von gelöstem Sauerstoff (DO) reguliert. Unterhalb einer bestimmten, aber ungenau definierten DO-Konzentration, findet deutlich erhöhte N2O Produktion statt. Die Hinweise auf sinkende DO-Konzentrationen im Ozean häufen sich und dies wird zu einer erhöhten ozeanischen N2O Produktion und somit zu einer erhöhten N2O-Emission in die Atmosphäre führen. Bevor dies geschieht ist entscheidend, dass wir 1) die aktuellen N2O Bedingungen im Ozean identifizieren (d.h. N2O-Verteilung, Produktion und Produktionswege) und 2) bestimmen, wie sich die N2O Bedingungen unter verschiedenen Szenarien zukünftiger DO-Konzentrationen ändern werden. Für Punkt 1 werden Arbeiten im nordöstlichen tropischen Atlantik durchgeführt, da dort DO-Konzentrationen herrschen, die für den größten Teil des Ozeans charakteristisch sind. Für Punkt 2 werden wir Arbeit in zwei extremen Sauerstoffminimumzonen (OMZ) durchzuführen (im südöstlichen tropischen Pazifik und in einem low oxygen eddy im nordöstlichen tropischen Atlantik), wo die DO-Konzentrationen wesentlich niedriger sind als im Großteil des Ozeans. In beiden Regionen werden wir: 1) N2O-Konzentrationen messen; 2) del15N, del18O und 15N Site Preference von N2O messen, um die relative Bedeutung, die die verschiedenen Produktionswege von N2O an der Gesamtkonzentration haben, zu bestimmen; 3) N2O-Produktionsraten für jeden der verschiedenen Produktionswege mittels der 15N-Tracer-Technik bestimmen. Zusätzliche Molekularanalysen werden helfen, die verschiedenen N2O-produzierenden Organismen zu charakterisieren und zu quantifizieren. Um die Auswirkungen zu studieren, die eine erhöhte N2O-Produktion im Ozean (als Folge der abnehmenden DO-Konzentration) für die Atmosphäre hat, ist es wichtig, dass wir die Faktoren die den Gasaustausch von N2O beeinflussen, besser verstehen. Mittels der Eddy-Kovarianz-Technik werden wir N2O Flüsse aus dem Meer direkt messen und mit physikalischen, chemischen und biologischen Parametern vergleichen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Zirrus Wolken in der extratropsichen Tropopausen- und unteren Stratosphären-Region

Große Unsicherheiten in der Klimavorhersage gehen auf den derzeitig eingeschränkten Wissensstand bezüglich Zirruswolken zurück. Dies unterstreicht die Bedeutung von mehr quantitativen Information durch Beobachtungen von Zirruswolken und gilt insbesondere für Zirren in der Tropopausen-Region, wo diese eine große Wärmewirkung im Vergleich zu darunter liegenden und optisch dickeren Zirren haben und nur sehr eingeschränkte Informationen vorliegen. Bodengestützte LIDAR-Beobachtungen und satellitengestützten IR Limb Messungen zeigen zudem eine neue Klasse von Zirruswolken in der sogenannten Lowermost Stratosphere (LMS). Dieser Wolkentyp ist bisher nicht gut durch Messungen charakterisiert und ist insbesondere in globalen Klimamodell-Studien noch nicht berücksichtigt. Die vorgeschlagenen Studie CiTroS steht für Cirrus cloud in the extratropical tropopause and LMS region und beschäftigt sich mit exakt diesen Wolken anhand von Messungen, die während der vorgeschlagenen WISE Kampagne des Forschungsflugzeugs HALO im September/Oktober 2017 stattfinden sollen. Besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Studie soll auf der Analyse und Auswertung der Wolkenmessungen der neuartigen GLORIA Instruments liegen. Durch die Imaging Technik und der Schwenkvorrichtung von GLORIA ist es möglich tomographische Messungen von Luftvoluminna im Wellenlängenbereich 780 bis 1400 cm-1 durchzuführen, die eine dreidimensionale Rekonstruktion der beobachteten Wolkenstrukturen ermöglichen. IR Limb Sounder zeichnen sich durch eine extrem hohe Empfindlichkeit zur Messung optisch dünnen Zirruswolken aus, die in der langen optischen Pfadintegration begründet ist. Die Kombination von GLORIA mit dem LIDAR Instrument WALES erlaubt eine der empfindlichsten Fernerkundungsmessungen zur Charakterisierung von mikro- und makrophysikalischen Eigenschaften von Zirruswolken. Zusammen mit den in-situ-Messung für Wasserdampf und Eiswassergehalt eignet sich Nutzlast der HALO-WISE Kampagne hervorragend für Vermessung von Wolken in der LMS. Ein größerer Teil der Studie ist für die Entwicklung neuer Analysetechniken für die Auswertung der neuartigen IR-Imager GLORIA Messungen von Zirren vorgesehen. Die tomographischen Messungen werden es erstmalig ermöglichen mikrophysikalische Eigenschaften wie Eis Wassergehalt oder Partikelradius aus IR Limb-Messungen abzuleiten. Simulationen und Vorhersagen des Chemical Lagrangian Model for the Stratosphere (CLaMS) stehen nach der Kampagne für detaillierte Studien zur Verfügung. Diese sollen gezielt genutzt werden um die meso- und synoptisch-skaligen dynamischen Prozesse, die die Bildung von Zirren bei mittleren und hohen Breiten möglicherweise verantworten, zu untersuchen. Das neu entwickelte CLaMS-Ice-Modul mit einen mikrophysikalische zwei-Momenten-Schema mit den wichtigsten Bildungsprozessen von Zirren, wird im Anschluss für detaillierte Fallstudien zur Entstehung und Entwicklung der beobachteten Zirruswolken genutzt.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt D01: Großräumiger dynamischer Einfluss auf regionale arktische Klimaänderungen

Die Wechselwirkung zwischen der variablen großräumigen Zirkulation und arktischen regionalen Klimamustern werden untersucht. Wir werden den Grad der arktischen Verstärkung auf regionaler Skala in Rückkopplung mit großskaliger Dynamik und deren vergangenen und vorhergesagten Änderungen diagnostizieren. Die zentrale Frage ist zu welchem Grad die regionalen arktischen Klimaänderungen und arktische Verstärkung durch Änderungen in großräumigen horizontalen Wärmeflüssen, planetaren Wellenströmungen (insbesondere während plötzlicher stratosphärischer Erwärmungen), sowie durch allgemeine troposphärische und stratosphärische Zirkulationsmustern beeinflusst werden. Ausgedrückt wird diese in Form von der Variabilität der nordhemisphärischen Zirkulation, wie z. B. der Nordatlantischen Oszillation und der nördlichen jährlichen Mode.

Millimeterwellen-spektroskopische Untersuchungen der Strato- und Mesosphaere

Spektro-Radiometer im Millimeterwellenbereich erlauben wichtige Spurengase wie Ozon, Kohlenmonoxyd, Wasserdampf, Chlormonoxyd sowie Atmosphaerenparameter wie Temperatur und Druck ueber grosse Abstaende als Funktion der Hoehe in Strato- und Mesosphaere (ca. 10 bis 80 km) zu messen. Es werden Langzeitbeobachtungen vom Boden aus gemacht sowie mit Flugzeuggetragenen Instrumenten ueber grosse Abstaende (Meridian) geflogen, um sowohl zeitliche Entwicklung wie geographische Verteilung zu studieren. Ein Space-Shuttle-getragenes Experiment fuer globale Beobachtung ist in Vorbereitung. Das Ziel ist die Verbesserung des Verstaendnisses der Atmosphaeren-Chemie sowie die Verfolgung langzeitiger Veraenderungen durch natuerliche und anthropogene Einfluesse.

Solar Radiation Modification (SRM)

Solar Radiation Modification (SRM) can neither conserve the current nor restore the pre-industrial climate. It would create an unpredictable new global climate with significant regional impacts. This brochure explains the risks of SRM for food security, justice and actual climate action. It explains the various SRM approaches and how they are supposed to work. It also describes the state of regulation and formulates conditions for responsible governance, including a non-use agreement.

Solar Radiation Modification (SRM)

Solar Radiation Modification (SRM) can neither conserve the current nor restore the pre-industrial climate. It would create an unpredictable new global climate with significant regional impacts. This brochure explains the risks of SRM for food security, justice and actual climate action. It explains the various SRM approaches and how they are supposed to work. It also describes the state of regulation and formulates conditions for responsible governance, including a non-use agreement. Veröffentlicht in Broschüren.

Vermessung des Brom- und Iodgehalts in der unteren und mittleren Stratosphäre

In unserem Vorhaben soll der Gehalt von Brom (Bry) und Iod (Iy) in der unteren und mittleren Stratosphäre bestimmt werden. Brom-Verbindungen sind für ca. 30% des Ozonverlusts in der Stratosphäre verantwortlich und damit ist eine regelmäßige Vermessung des stratosphärischen Bry angezeigt. Direkte Messungen in der mittlerenStratosphäre wurden aber seit 2011 nicht mehr durchgeführt. Zudem finden wir bei unseren jüngeren, flugzeuggetragenen Messungen von Bry (an Bord der NASA Global Hawk und des HALO Forschungsflugzeugs) in der tropsichen Tropopausenregion (TTL) und unteren Stratosphäre (UT/LS) etwa 2-3 ppt mehr Bry als aus lang- (Halone), mittel- (CH3Br) und kurzlebigen Bromverbindungen (VSLS) sowie deren Abbauprodukten zu erwarten ist. Die Gründe hierfür sind derzeit unklar. Unser Ziel ist es, die Messzeitreihe von Bry in der unteren und mittleren Stratosphäre wiederaufzunehmen und die entsprechenden Trends zu evaluieren. Insbesondere wollen wir untersuchen, ob die erhöhten Konzentrationen von Bry in der TTL mit Bry in der Stratosphäre kompatibel sind und was die Gründe für mögliche Differenzen sind. In Bezug of Iy weisen unsere früherenBeobachtungen auf Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze hin, aber auch diese Untersuchungen liegen mehr als eine Dekade zurück. Neuere Arbeiten schlagen vor, dass die Bildung von höheren Iodoxiden zu einer Revision der bisher angenommenen Photochemie von Iod in der Stratosphäre führt, so dass ein erneuertes Interesse anstratosphärischem Iod besteht. Mit begrenztem zusätzlichem Aufwand wollen wir hier auch den Iy Gehalt (oder die entsprechenden Höchstgrenzen) in der Stratosphäre vermessen. Die Messungen sollen von einem Höhenforschungsballon (Steighöhe 30-38 km) aus mittels etablierter spektroskopischer Methoden in Sonnen-Okkultationsgeometrie durchgeführt werden. Es sind zwei Messflüge für Sommer 2021 von Kiruna, Schweden, und für Sommer 2022 von Timmins, Canada, aus geplant. Die Flüge und Kampagnen selbst werden durch die EU Infrastruktur HEMERA gefördert.

Dreidimensionale globale Modellrechnung der troposphaerischen Luftchemie

Unter Verwendung monatlich gemittelter Wind- und Temperaturfelder wird die troposphaerische Hintergrund-Chemie in ihren wesentlichen Reaktionswegen simuliert. Die allgemeine Windzirkulation mischt stratosphaerisches Ozon in die Troposphaere ein. In der unbelasteten Troposphaere wird dieses Ozon grundsaetzlich photochemisch abgebaut. Das Vorhandensein von Stickoxyden kann aber auf katalytischem Wege im Zuge der Methanoxidation auch zur Produktion von troposphaerischem Ozon fuehren. Das Modell ist in der Lage diese Vorgaenge auf einem 10 Grad mal 10 Grad mal 100 hPa Gitter in 2h-Schritten ueber mehrere Jahre zu simulieren. An der Erweiterung der Modellchemie (auch Wolkenchemie) wird gearbeitet.

Von El Nino zu Super - El Nino: Wie wird das Wetter beeinflusst?

El Niño ist die warme Phase der El Niño/Southern Oscillation (ENSO), und beschreibt die dominante Variabilität der Tropen auf Zeitskalen von Monaten bis Jahren. Obwohl ENSO im tropischen Pazifik geschieht, werden starke regionale und globale Einflüsse auf das Klima, auf die Ökosysteme der Meere und auf dem Land, und damit auch auf die Wirtschaft einzelner Länder beobachtet. Klimamodelle sagen vorher, dass El Niño sich unter dem Einfluss der globalen Erwärmung verstärken könnte, und dass sich sogenannte Super El Niños entwickeln könnten, d.h. El Niño Ereignisse, welche stärker und langlebiger sind als die stärksten im 20. und 21. Jahrhundert beobachteten Ereignisse. Es ist allerdings noch unklar, ob sich zum Beispiel die sogenannten Teleconnections, also Fernwirkungen von El Niño, linear mit der Stärke des Ereignisses im tropischen Pazifik entwickeln werden. Es ist zudem noch unzureichend erforscht, ob sich die Teleconnections selbst verändern werden. Es gibt aber Hinweise, dass sich die Teleconnections von El Niño nichtlinear verhalten, und dass daher ein Super El Niño völlig andere globale Auswirkungen haben könnte als ein historischer El Niño. Durch die Vorhersage der Klimamodelle, dass sich solche Super El Niño - Ereignisse in Zukunft häufen könnten, ist ein besseres Verständnis möglicher Nichtlinearitäten von Teleconnections nötig. Dieses Forschungsvorhagen untersucht die Nichtlinearität in der Stärke und im Charakter von El Niño Teleconnections für eine Erde in einem wärmeren Klima. Im Speziellen wird die Fernwirkung von El Niño auf die Troposphäre und Stratospähre der mittleren Breiten in der Nord- und Südhalbkugel untersucht.

Photochemie von wichtigen reaktiven Stickstoffverbindungen in der Mesosphäre/unteren Thermosphäre und Stratosphäre

Starkes Nachtleuchten tritt in der oberen Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MUT) der oberen Erdatmosphäre auf und enthält eine Emissionsschicht, die von angeregtem Stickstoffdioxid (NO2) hervorgerufen wird. Anregungsmechanismen, die zum angeregten Stickstoffdioxid in der MUT und Stratosphäre beitragen, stehen im Mittelpunkt dieses Projekts, da sie nicht gut verstanden sind. Stickstoffdioxid ist auch in der Stratosphäre wichtig, da es zum Ozonabbau beiträgt. Die Photochemie von reaktiven Stickstoffverbindungen (N, NO, NO2) wird in der MUT und der Stratosphäre auf der Grundlage der jetzt verfügbaren globalen Emissionsmessungen analysiert. Für diese Aufgabe wird das MAC-Modell (Multiple Airglow Chemie) erweitert, um Reaktionen mit reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen (O(3P), O(1D), O3 und H, OH, HO2) zu berücksichtigen. Berechnungen mittels der aktuellen MAC Version ermöglichen die Berücksichtigung von reaktiven Sauerstoff- und Wasserstoff-verbindungen. Diese Berechnungen wurden auf der Grundlage von in situ Raketenmessungen in der MUT validiert. In Anbetracht früherer Studien zur Untersuchung der Stickstoffdioxid-emissionen wird die Berechnung der Konzentrationen der wichtigsten Repräsentanten von reaktiven Sauerstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffverbindungen in der Stratosphäre unter Verwendung der erweiterten Version des MAC-Modells auf der Grundlage neuer Messungen durchgeführt. Reaktionen, die in der erweiterten Version des MAC-Modells berücksichtigt werden, können in ein photochemisches Modul eines GCM (general circulation model) übernommen werden.

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