Ozone vertical column density in Dobson Units as derived from Sentinel-5P/TROPOMI observations. The stratospheric ozone layer protects the biosphere from harmful solar ultraviolet radiation. Ozone in troposphere can pose risks to the health of humans, animals, and vegetation. The TROPOMI instrument aboard the SENTINEL-5P space craft is a nadir-viewing, imaging spectrometer covering wavelength bands between the ultraviolet and the shortwave infra-red. TROPOMI's purpose is to measure atmospheric properties and constituents. It is contributing to monitoring air quality and providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the Top Of Atmosphere (TOA) solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum, allowing operational retrieval of the following trace gas constituents: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4). Daily observations are binned onto a regular latitude-longitude grid. Within the INPULS project, innovative algorithms and processors for the generation of Level 3 and Level 4 products, improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users are developed.
Genaue und konsistente Langzeit-Daten sind nötig, um Klimavariabilität und Klimawandel detektieren, verstehen, und zuordnen zu können. Unser Wissen über Veränderungen in der freien Atmosphäre ist immer noch begrenzt, da solche Daten bis jetzt nicht in ausreichender Qualität zur Verfügung stehen. Eine neue Datenquelle, mittels der man einige Probleme von etablierten Methoden überwinden kann, ist die Radiookkultations-Methode (RO). Mit ihr ist es im Prinzip möglich, eine absolute Referenz ('Benchmark') für die obere Troposphäre und untere Stratosphäre (engl. UTLS) zu erstellen, da die Daten auf einer Zeitmessung basieren, und damit an die internationale Definition der Sekunde gebunden sind. Tatsächlich konnten wir in früheren Arbeiten zeigen, dass RO Klimatologen von unterschiedlichen Satelliten erstaunlich gut übereinstimmen (besser als 0.1 K). Der Wert von RO Daten für die Klima-Beobachtung wird zunehmend erkannt, es existieren aber auch Bedenken, dass es systematische Fehler geben könnte, die Daten von unterschiedlichen Satelliten gemein sind. Wir haben eine Liste solcher möglicher systematischen Fehler zusammengestellt, und werden diese genau analysieren. Das wird zu einem besseren Verständnis dieser (kleinen) Restfehler führen, und es erlauben, sie zu vermeiden oder zu entfernen, oder aber, sie genau zu charakterisieren, falls sie unvermeidbar sind. Wir werden diese Erkenntnisse nützen, um die Methode zur Gewinnung von RO Daten zu verfeinern, und damit RO Klimatologien der Parameter Brechungswinkel, Refraktivität, Dichte, Druck, Geopotentielle Höhe und Temperatur in der UTLS, mit bisher unerreichter Genauigkeit und Konsistenz zu erstellen. Dank ihrer hohen Qualität und einer genauen Fehler-Charakterisierung darf man erwarten, dass diese Daten als absolute Referenz (Benchmark) für globale Klimatologien der UTLS dienen können. Durch die Kombination aus hoher Genauigkeit und guter vertikaler Auflösung eignen sich die Daten auch besonders gut für die Beobachtung von Klimavariabilität und Klimawandel in der UTLS, wie z. B. Änderungen der Tropopausenhöhe, Änderungen der Übergangshöhe zwischen troposphärischer Erwärmung und stratosphärischer Abkühlung, oder Temperaturänderungen, die nach einem größeren Vulkanausbruch zu erwarten sind. Das verbesserte Verständnis der systematischen Fehler wird auch im Bereich der numerischen Wettervorhersage nützlich sein, wo RO Daten jetzt schon mit Erfolg assimiliert werden. usw.
Natuerliches 14 CO wird in der Atmosphaere hauptsaechlich durch kosmische Strahlung gebildet. Es wird dann fast ausschliesslich durch Reaktion mit OH-Radikalen zu 14 CO2 oxidiert. Die Produktionsrate ist sehr gut bekannt; Messungen der 14 CO-Verteilung lassen daher direkte Schluesse auf die entsprechende OH Verteilung zu. Zur Messung wird zunaechst das Kohlenmonoxid aus ca. 100 Kubikmeter Luft chemisch abgetrennt. Anschliessend wird der 14 C Gehalt in einer speziellen 'low level'-Zaehlapparatur mit geringem Volumen bestimmt. Bisher wurden Messungen in der Nordhemisphaere am Boden durchgefuehrt (Vols et al., 1979, 1980, 1981). Ergaenzende Messungen in der hoeheren Atmosphaere sowie der Suedhemisphaere zur besseren Absicherung der ermittelten OH-Verteilung sind in Vorbereitung.
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.
Nichtlineare, stochastische und dissipative geophysikalische Strömungen in Atmosphäre und Ozean sind Teil der Turbulenztheorie. Diese beeinflussen die Dynamik im Bereich von Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern sowie die meso- und synoptischen Skalen. Ein Beispiel hierfür ist das Powerspektrum von mesoskaligen horizontalen Winden, das sich statistisch ähnlich wie Meterskalen verhält und mit den Vorhersagen der klassischen isotropen 3D Turbulenz übereinstimmt, wie sie in der Arbeit von Nastrom und Gage von 1984 gefunden wurde. Diese Erkenntnis machte neue Turbulenztheorien nötig, die eine Alternative zur klassischen Erklärung der Schwerewellen bieten könnten, um die Physik hinter der mesoskaligen Dynamik in geophysikalischen Strömungen zu verstehen, wie etwa die Theorie der stratifizierten (geschichteten) Turbulenz (ST). Ein leistungsfähiges Untersuchungsinstrument der ST-Theorie ist die Analyse von Statistikdaten höherer Ordnung von Zustandsvariablen, die das mittlere Strömungsverhalten beschreiben. Dies gilt insbesondere für die Strukturfunktion (SF), die Messungen der gleichen Parameter zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten auf einen einzigen Wert, durch die Schätzung von Ensemble-Mittelwerten, synthetisiert. Eine wesentliche Einschränkung bei der Untersuchung der mesoskaligen Dynamik der Winde durch die Abschätzung von SFs hoher Ordnung für verschiedene atmosphärische Höhen ist jedoch der Mangel an geeigneten Messmöglichkeiten, die die horizontalen Mesoskalen mit ausreichend hoher Auflösung und zeitkontinuierlich erfassen können. Im Bereich der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (MLT) haben multistatische Meteorradarsysteme (SMRs) kürzlich bewiesen, dass sie diese Anforderungen erfüllen. Im Rahmen dieses Projekts werden zwei Hauptthemen verfolgt. Das erste ist die umfassende Analyse und Charakterisierung von SFs zweiter Ordnung der horizontalen mesoskaligen Winde aus multistatischen SMRs Beobachtungen in der MLT-Region. Wir wollen die Gültigkeit der Eigenschaft der horizontalen Isotropie beurteilen und ihre Auswirkungen auf die Dynamik von Rotations- und Divergenzmoden bewerten. Für diese Aufgaben stehen Messungen in mittleren und hohen Breitengraden zur Verfügung. Das zweite Hauptthema ist die Anwendung von Wind-SFs höherer Ordnung, die über die zweite Ordnung hinausgehen, unter Verwendung von MST-Radarwinddaten an einem einzelnen Standort. Die Anwendung der Taylor-Approximation Methode wird die Untersuchung der räumlichen Verschiebungen erleichtern, die aus zeitlichen Verzögerungen bestimmt werden. Die Methode wird anhand von Winden in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre implementiert und dann auf die mesosphärischen Winde ausgedehnt. Die Ergebnisse dieses Projekts werden Erkenntnisse über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten im statistischen Verhalten der mesoskaligen Winde in verschiedenen atmosphärischen Höhen liefern.
Das hier vorgeschlagene Projekt basiert auf und ergänzt Untersuchungen die im Rahmen des DFG-Transregios 172 'Arktische Klimaveränderungen', und hier speziell dem Projekt B04 'Ship-based physical and chemical characteristics and sources of Arctic ice nucleating particles and cloud condensation nuclei', durchgeführt werden. Im Rahmen von TR 172, B04, ist es u.a. das Ziel, über schiffbasierte Messungen detaillierte Informationen hinsichtlich arktischer eisnukleierender Partikel (Anzahlkonzentration; chemische Natur, mineralisch und/oder organisch; Herkunft, lokal oder Ferntransport) zu erlangen. Diese schiffsbasierten Messungen können allerdings nur ein erster Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in der Arktis im allgemeinen, und der Vereisung Arktischer Wolken im Besonderen, sein. Hierzu sind u.a. Informationen aus unterschiedlichen Höhen (innerhalb der planetaren Grenzschicht und in der freien Troposphäre) erforderlich. Daher sollen die in TR 172, B04, geplanten Aktivitäten u.a. durch INP-bezogene Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges HALO ergänzt werden. Spezifisch zielen wir auf die Bestimmung von INP-Anzahlkonzentrationen, und über Analyse der chemischen Partikelzusammensetzung auf Hinweise bzgl. der INP Herkunft / Quellen. Im Rahmen des vorliegenden Antrages werden wir uns daher auf die Entwicklung, den Test und die Zulassung eines Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für das Forschungsflugzeug HALO konzentrieren. Das Sammlersystem wird im Wesentlichen aus einer adaptierten Version des schon existierenden (aber noch zuzulassenden) 'Micrometre Aerosol Inlet' (MAI) und einem noch zu entwickelnden Hochvolumenstrom-Filtersammler, bestehen. Die Berücksichtigung hoher Volumenströmen (Größenordnung 100 l/min) ist aufgrund der zu erwartenden niedrigen Aerosolpartikel- und INP-Konzentrationen, und dem daraus resultierenden Bedarf nach der Sammlung großer Luftvolumina erforderlich. Der erste wissenschaftliche Einsatz des entwickelten Systems soll im Rahmen der ARCTIC-HALO-Kampagne erfolgen, welche für die zweite Phase des TR 172 (2020-2023) geplant ist. Nach seiner Entwicklung, steht das Sammlersystem (Einlass und/oder Filtersammler) für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für weitere HALO-Missionen zur Verfügung. Zur Durchführung der notwendigen Arbeiten beantragen wir Mittel für eine 75 % und eine 50% PostDoc-Stelle für jeweils 3 Jahre. Ferner beantragen wir Mittel für die Adaptierung und die Zulassung des Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers. Alle anderen direkten Kosten werden aus dem Haushalt des TROPOS übernommen.
Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und der Troposphäre sind für viele Prozesse in beiden Systemen wichtig. Ein Schlüsselprozess stellt der Austausch von Spurengasen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean dar. Die Emission von Dimethylsulfid (DMS) stellt die größte natürliche Quelle für reduzierten Schwefel in die Atmosphäre dar. Dort kann DMS zu Schwefeldioxid, Schwefelsäure oder Methansulfonsäure oxidiert werden. Diese Verbindungen sind wichtige Vorläufersubstanzen für sekundäre Aerosole, die den natürlichen Strahlungshaushalt und die Wolkenbildung beeinflussen können. Die chemische Prozessierung, d.h. die sekundäre Bildung und Oxidation von DMS-Oxidationsprodukten, ist jedoch noch immer schlecht verstanden. Daher ist die Implementierung in aktuelle Multiphasenchemiemechanismen und Klimamodellen begrenzt, wodurch die aktuellen Vorhersagen noch sehr unsicher sind. Um die bestehenden Lücken in unserem Verständnis der DMS-Multiphasenchemie weiter zu schließen, zielt das Projekt ADOniS darauf ab, (i) fortgeschrittene Laboruntersuchungen zur Gas- und Flüssigphasenchemie von DMS-Oxidationsprodukten durchzuführen, (ii) ein fortgeschrittenes Multiphasen-DMS-Chemiemodul zu entwickeln und (iii) Prozess- und 3D-Modelluntersuchungen durchzuführen. Die vorgeschlagenen detaillierten Laboruntersuchungen konzentrieren sich auf die OH-Oxidation von Gasphasenprodukten der ersten Generation, Hydroperoxymethylthioformat (HPMTF) und Dimethylsulfoxid (DMSO), sowie auf die Bildung von DMS-Oxidationsprodukten der zweiten Generation. Die detaillierten mechanistischen Untersuchungen werden mit einem Freistrahl-Strömungsreaktor durchgeführt. Weitere kinetische und mechanistische Untersuchungen werden sich auf die Chemie von DMS-Oxidationsprodukten in der wässrigen Phase konzentrieren. OH Radikalreaktionen von HPMTF-Surrogaten werden mit Hilfe eines Laser Flash Photolysis - Long Path Absorption (LFP-LPA) Systems untersucht. Weiterhin wird die Oxidation von MSA/MS- durch OH(aq) und die Oxidation von MSIA/MSI- durch O3(aq) in wässriger Phase untersucht. Ferner soll die Aufnahme von wichtigen DMS-Oxidationsprodukten an verschiedenen Aerosolpartikeln durch Kammerstudien untersucht werden. Die Bildung von DMS-Oxidationsprodukten in der Gasphase und deren Aufnahme auf injizierten Aerosolpartikeln wird mit einem CI-APi-TOF Massenspektrometer gemessen. Basierend auf den Ergebnissen der Laborstudien wird ein fortschrittliches DMS-Reaktionsmodul entwickelt und anschließend im Multiphasenchemiemodell SPACCIM für detaillierte Prozessstudien eingesetzt. Die gewonnenen Erkenntnisse über die wichtigsten DMS-Oxidationswege werden dann die Grundlage für eine aktualisierte Behandlung DMS in globalen Klimachemiemodellen (CCMs), hier ECHAM-HAMMOZ, bilden. Schließlich werden Simulationen mit ECHAM-HAMMOZ die Auswirkungen des verbesserten DMS-Mechanismus auf die globale atmosphärische DMS-Chemie untersuchen und die Auswirkungen auf das Klima und die zukünftige Sensitivität bewerten.
Es wird vermutet, dass Zirruswolken in hohen geographischen Breiten (arktische Zirren), einen positiven „Cloud Radiative Effect“ (CRE) haben und somit zum Phänomen der "Arctic Amplification" beitragen. Das Vorzeichen und die Stärke des CRE arktischer Zirren hängt von deren mikrophysikalischen Eigenschaften, d.h. der Eispartikelkonzentration, dem effektiven Eispartikelradius und dem Eiswassergehalt (IWC), ab. Diese Parameter werden hauptsächlich durch den Eisbildungsprozess (heterogen vs. homogen) und durch den Bildungspfad (in-situ vs. flüssiger Ursprung) bestimmt. Dies impliziert insbesondere für Zirren flüssigen Ursprungs die Beteiligung von eisnukleierenden Partikeln (INP), was deren Häufigkeit, Eigenschaften und Quellen zu Schlüsselfaktoren für die Bildung, die mikrophysikalischen und Strahlungseigenschaften von Zirren in hoher Breiten macht. Informationen über INP in hohen geographischen Breiten im Allgemeinen und in größeren Höhen im Besonderen, extrem rar. Im Rahmen der HALO-Mission CIRRUS-HL wollen wir daher das Wissen hinsichtlich arktischer INP über a) die Charakterisierung von Eispartikel- (IPR) und Wolkentröpfchenresiduen (CPR, Summe aus IPR und Tröpfchenresiduen) in arktischen Zirren und Mischphasenwolken, und b) die vertikal aufgelöste Messung (Mischphase bis Zirrusniveau) von Hochtemperatur INP (> -30°C) außerhalb von Wolken, erweitern. Für die geplanten Untersuchungen werden der HALO-CVI („Counterflow Virtual Impactor“) und der Aerosolpartikelfiltersammler HERA verwendet werden. Hinter dem HALO-CVI werden Instrumente zur physikalischen (Anzahl der Konzentrationen, Partikelgrößenverteilung, BC-Konzentration) und chemischen (Einzelpartikelzusammensetzung, MPI-C) Charakterisierung der IPR und CPR betrieben. Die von HERA gesammelten Filterproben werden im Anschuss an die Kampagne in den TROPOS-Laboratorien hinsichtlich der physikalischen INP-Eigenschaften (Anzahlkonzentrationen und Gefrierspektren) sowie der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel analysiert.Bei In-Wolken-Messungen werden der HALO-CVI und HERA kombiniert werden. So können die INP, innerhalb der gesammelten IPR (Zirren) und Wolkentropfenresiduen (CPR, in Mischphasenwolken) identifiziert, quantifiziert und charakterisiert werden. Diese INP könnten potenzielle Vorläufer von Zirrus mit flüssigem Ursprung in hohen Breiten sein.In Verbindung mit den Ergebnissen der im Rahmen von CIRRUS-HL durchgeführten in-situ Messungen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften, sowie der Analyse von Rückwärtstrajektorien der untersuchten Luftmassen werden wir a) bzgl. der Häufigkeit und der Eigenschaften von INP ein bisher einmaliges Schließungsexperiment (innerhalb und außerhalb der Wolke) durchführen, b) das Wissen über die raumzeitliche Verteilung, die Eigenschaften und die Quellen von INP signifikant erweitern und c) tiefe Einblicke in INP-Effekte auf die Bildung und die mikrophysikalischen Eigenschaften von Zirruswolken in hohen geographischen Breiten erhalten.
Untersuchung klimarelevanter Prozesse im mesoskaligen Bereich durch die Erfassung meteorologischer Groessen und Spurenstoffe mit Hilfe von bodengebundenen, flugzeug-, ballon- oder satellitengetragenen Instrumenten. Dazu gehoeren die Entwicklung und Erprobung neuer Verfahren und Messgeraete zur Fernerkundung atmosphaerischer Parameter. Mit Ballonmessungen werden die photochemischen Umsetzungen und der Tagesgang von Spurenstoffen in der Atmosphaere verfolgt. Beitraege zu umweltrelevanten Problemen (z.B. Ozonloch) ergeben sich aus den bodengebundenen Spurengasmengen. Teilziele sind: Einsatz von Michelson-Interferometern, Erprobung bodengebundener Fernmessverfahren fuer Messungen in der Troposphaere (SODAR, RADAR, RASS), Verfahren zur Gewinnung von Landoberflaechenparametern, meteorologischen Vertikalprofilen und Spurengasverteilungen aus Satellitendaten, Untersuchung von Transportvorgaengen und zeitlichem Verlauf von Konzentrationsaenderungen und photo-chemischen Umsetzungen.
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| Daten und Messstellen | 6 |
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