Blumenstock, T.

Griesfeller, A.

Hase, F.

Hochschild, G.

Kopp, G.

Schneider, M.

KITopen

Während mittlerweile alljährlich imantarktischen Frühjahr ein starkergroßräumiger Ozonverlust überder Antarktis durch vom Men-schen in die Stratosphäre einge-brachte Chlorverbindungen beob-achtet wird, zeigt sich über derArktis aufgrund der komplexerenTopographie eine stärkere Varia-bilität, was die Modellierung unddamit die Vorhersage des langfris-tigen Trends erschwert. Unklar istauch, inwieweit der anthropogeneOzonabbau über der Arktis zur be-obachteten Ozonabnahme in mitt-leren Breiten von einigen Prozentpro Dekade beiträgt.Vom Menschen über Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKWs) indie Stratosphäre eingebrachtesChlor ist normalerweise in che-misch neutralen Reservoirgasengebunden. In der winterlichen po-laren Stratosphäre wird es jedochan der Oberfläche von Wolken-partikeln in polaren Stratosphä-renwolken (eng. „polar strato-spheric clouds“, kurz PSCs) ausden Reservoirgasen freigesetzt[1]. PSCs entstehen in der unterenStratosphäre in Höhen von ca. 12bis 25 km bei extrem tiefen Tem-peraturen unter -80°C. Abb. 1zeigt PSCs über Kiruna in Nord-schweden im Januar 2000. Das ander Oberfläche der Wolkenpartikelfreigesetzte molekulare Chlor wirdam Ende der Polarnacht durchdas Sonnenlicht photolysiert undes werden Chlorradikale gebildet,die über katalytische ReaktionenOzon zerstören. Zahlreiche stratosphärische Spu-rengase besitzen im Millimeter-wellen- und Infrarotgebiet charak-teristische Spektrallinien, die vonRotations- bzw. Rotationsschwin-gungsübergängen herrühren.Durch Stöße mit anderen Mo-lekülen werden diese Spektrallini-en verbreitert, wobei die Linien-breite proportional zum Umge-bungsdruck ist. Mathematisch be-schrieben wird der Transport elek-tromagnetischer Strahlung durchdie Atmosphäre durch die Strah-lungsübertragungsgleichung.Grundlagen derbodengebundenenFernerkundungEinführung51(51)Messung stratosphärischer Spurengase für die Ozonforschung mit bodengebundener Millimeter-wellenradiometrie und InfrarotspektroskopieG. Kopp, Th. Blumenstock, A. Griesfeller, F. Hase, G. Hochschild, M. Schneider, IMKNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 35  1-2/2003  S. 51-56 Abb. 1: Polare Stratosphärenwolken(PSCs) über Kiruna am 27. Januar 2000.Aufgrund ihres perlmuttartigen Erschei-nungsbildes werden diese Wolken auchPerlmutterwolken genannt. An der Ober-fläche der entweder aus einem Gemischaus Schwefelsäure, Salpetersäure undWasser oder aus Eiskristallen bestehendenWolkenpartikel wird reaktives Chlor ausReservoirgasen freigesetzt.Hintergrundstrahlung, durch gesamte Atmosphäre gedämpftDämpfung auf dem Weg zum BodenQuellfunktion der Strahlung in der Höhe h I(h0) ist die am Boden gemessene Strahlungsintensität, I(h∞) die Hintergrundstrahlung, B(T(h)) die Planckfunktion bei der Temperatur T in der Höhe h, und α(h) ist der höhenabhängige Absorptionskoeffizient. Die optische Dicke τ(h0,h) berechnet sich gemäßInformationen über die Höhenverteilung finden sich aufgrund der Druckverbreiterung der Spektrallinien im Absorptionskoeffizienten α(h).Die Strahlungsübertragungsgleichung:I(h0) I(h∞)e–τ(h0,h∞) e–τ(h0,h)τ(h0,h)dhα(h)B(T(h))h∞h0α(h')dh'      hh052(52)FrequenzIntensitätIntensitätHöhe [km]FrequenzVolumenmischungsverhältnis [ppmv]Emission + Absorption100 km0 km015253545555 10∫Abb. 2: Strahlungstransport durch die Atmosphäre bei Messung in Emissionsgeometrie. Aufgrundder Zunahme des Druckes zum Boden hin werden die von den Spurengasen herrührenden Spek-trallinien immer stärker verbreitert. Die linke Seite zeigt die Sequenz für ein Spurengas mit konstan-tem Volumenmischungsverhältnis (grünes Profil), während rechts der Verlauf für ein Spurengas miteinem Maximum bei 35 km Höhe dargestellt ist (rotes Profil). Man erkennt deutlich die Abhängigkeitder einzelnen Strahlungsbeiträge vom Volumenmischungsverhältnis. Die am Boden messbaren In-tensitätsspektren im unteren Teil der Abbildung stellen eine Überlagerung der einzelnen Strah-lungsbeiträge dar und beinhalten in ihrer unterschiedlichen Signaturform Informationen über dieHöhenverteilung des betrachteten Spurengases.Wird, wie in der bodengebunde-nen Millimeterwellenradiometrieüblich, in Emissionsgeometrie,d.h. gegen den kalten kosmischenHintergrund gemessen, kann dieHintergrundstrahlung vernachläs-sigt werden. Im Gegensatz dazuwird bei der bodengebundenen In-frarotspektroskopie üblicherweisein Absorptionsgeometrie, d.h. indie Sonne gemessen. In diesemFalle kann die Eigenemission derAtmosphäre vernachlässigt wer-den und die gemessenen Spek-trallinien zeigen sich als Absorp-tionslinien im Sonnenspektrum.Abb. 2 zeigt anhand einer Mes-sung in Emissionsgeometrie,dass ein unterschiedliches Hö-henprofil eine unterschiedlicheForm der am Boden messbarenSignatur ergibt. Dies erlaubt um-gekehrt Rückschlüsse auf dieHöhenverteilung des betrachtetenSpurengases. Aufgrund des ver-gleichsweise geringen Informa-tionsgehaltes in den gemessenenSpektren müssen an die gesuch-te Lösung allerdings zusätzlicheForderungen gestellt werden, umein physikalisch sinnvolles Ergeb-nis zu erhalten. Dies kann z.B. ei-ne Glattheitsbedingung sein oderdie Forderung, dass die Abwei-chungen zu einem vorgegebenenHöhenprofil nicht allzu groß wer-den dürfen [2]. Auf diese Weiselassen sich Höhenprofile mit einerHöhenauflösung von bis zu 8 kmfür die stärksten Signaturen ge-winnen.Das am IMK entwickelte Millime-terwellenradiometer MIRA2 misstim Frequenzbereich 268-280 GHzund ist damit in der Lage, Ozon(O3), Chlormonoxid (ClO), Salpe-tersäure (HNO3) und Distickstoff-oxid (N2O) im Höhenbereich vonca. 17-55 km zu messen. Zusätz-lich besteht die Möglichkeit, Ge-samtsäulen des troposphärischenWasserdampfgehaltes zu ermit-teln. Da für die Messungen kein di-rektes Sonnenlicht benötigt wird,kann der Messbetrieb rund um dieUhr, auch während der Polar-nacht, aufrecht erhalten werden.Da Millimeterwellenstrahlung Wol-ken nahezu ungehindert durch-dringt, sind Messungen auch un-ter vergleichsweise ungünstigenWitterungsverhältnissen möglich.Trotzdem ist bei der Wahl einesStandortes sorgfältig auf trockeneWitterung mit geringer Wasser-dampfgesamtsäule zu achten.Die vom IMK für bodengebundeneMessungen eingesetzten Fourier-transformations-Infrarotspektro-meter (FTIR) sind kommerzielleGeräte der Firma Bruker und messen im Frequenzbereich 700-5000 cm-1, das entspricht et-wa 21-150 THz. Aufgrund des imVergleich zur Millimeterwellenra-diometrie riesigen Frequenzberei-ches können zahlreiche Spuren-gase gleichzeitig erfasst werden.Für die Messungen wird direktesSonnenlicht benötigt, weshalb beiDunkelheit oder Bewölkung derMessbetrieb ruht. Profile könnenje nach Spurengas im Höhenbe-reich von etwa 5-35 km gewonnenwerden, von den Konstituentenmit schwacher Signatur werdenGesamtsäulen ermittelt.Eines der Infrarotspektrometerdes IMK wird in Kiruna in Nord-schweden in Kooperation mit demdort ansässigen Institutet förRymdfysik (IRF, SchwedischesInstitut für Weltraumphysik) undder Universität Nagoya betrieben.Die Messungen werden durchge-führt im Rahmen des Network forthe Detection of StratosphericChange (NDSC), das der Mes-sung langfristiger Trends zahlrei-cher anthropogen beeinflussterstratosphärischer Spurengasedient und durch Vernetzung zahl-reicher Stationen eine möglichstglobale Abdeckung anstrebt. Neben der guten Infrastruktur bie-tet der Standort den für die Infra-rotspektroskopie wichtigen Vor-teil, dass die Polarnacht relativkurz ist und dadurch der Messbe-trieb Ende Januar wieder aufge-nommen werden kann. Außerdemkommen durch die Lage im Leedes Skandinavischen Rückensdurch den Föhneffekt häufigtrockene Luftmassen über Kirunazu liegen, wodurch eine ausrei-chend hohe Transparenz der At-mosphäre gewährleistet wird.Weiterhin können an den BergenWellenbewegungen angeregtwerden, die sich bis in die Strato-sphäre ausbreiten. Diese sog.Leewellen können lokal zu einerTemperaturabsenkung und damitzur verstärkten Bildung von PSCsführen. Deshalb erweist sich derMessstandort Kiruna als günstigfür die Untersuchung dieser fürden anthropogenen Ozonabbauentscheidenden Wolkenform.Aufgrund dieser Vorzüge wurdenzwischen 1996 und 2001 auch ins-gesamt fünf Messkampagnen mitdem MillimeterwellenradiometerMIRA 2 im Winter und Frühjahr amIRF durchgeführt. Die gleichzei-tigen Messungen von FTIR und MIRA 2 am gleichen Messstandortstellten die gefundenen Ergebnis-Messgeräte undgeeignete Standorte53(53)se auf eine breitere Datenbasis und gaben durch Kombination derDatensätze ein detaillierteres Bilddes stratosphärischen Gesche-hens [3]. Die linke Seite von Abb. 3zeigt einen Blick auf das Dach desIRF. Im Vordergrund zu sehen istdas Periskop von MIRA2, weiter imHintergrund der Sonnensucher desFTIR.Ein weiteres Infrarotspektrometerwird vom IMK im Rahmen des NDSC in Kooperation mit der spa-nischen meteorologischen Gesell-schaft am Izaña Observatoriumauf Teneriffa betrieben. Dieser auf2367 m ü. d. M. gelegene Standortbietet durch seine geringe Luft-feuchte und wolkenlosen Himmelan nahezu 80% aller Tage ausge-zeichnete Voraussetzungen für In-frarotspektroskopie. Außerdem er-möglicht es Teneriffa als subtropi-scher Standort, Austauschprozes-se zwischen den Tropen, in denenein Großteil des stratosphärischenOzons gebildet wird, und den mitt-leren Breiten zu untersuchen. Dierechte Seite von Abb. 3 zeigt denFTIR-Messcontainer auf Teneriffa.54(54)Abb. 3: Links: Das Periskop von MIRA 2 (vorne) und der Sonnensucher des FTIR (hinten) auf demDach des IRF in Kiruna. Rechts: Der Messcontainer des FTIR auf Teneriffa. Beide Messstandorte bie-ten aufgrund der hohen Transparenz der Atmosphäre ausgezeichnete Voraussetzungen für boden-gebundene Messungen.Abb. 4: ClO-Messungen von MIRA 2 und dem FTIR in Kiruna im Winter 1999/2000. Links: Gesamtsäulen von ClOum die Mittagszeit von Mitte Januar bis Mitte März 2000. Im Januar und März konnte an zahlreichen Tagen Chlor-aktivierung durch Kontakt der beobachteten Luftmassen mit PSCs gemessen werden. Mitte Februar wurden be-vorzugt Luftmassen aus niedrigeren Breiten ohne vorherigen Kontakt mit PSCs beobachtet. Gegen Ende der Zeit-reihe ist durch die verstärkte Bindung von ClO in Reservoirgasen die Tendenz zu niedrigeren Gesamtsäulen zuerkennen. Rechts: Sequenz der von MIRA 2 am 11. März 2000 gemessenen ClO-Profile. Deutlich zeigt sich der Ta-gesgang um 20 km Höhe aufgrund der Photolyse des bei Nacht gebildeten Cl2O2-Dimers durch die Sonnenein-strahlung.Tag im Jahr 200020 30 40 50 60 70 8006050403020105 10Ortszeit [h]VMR [ppbv]Höhe [km]15 20 0.00.2 0.4 0.6 0.8 1.00Chloraktivierung an PSCsLuftmassen aus mittleren Breitenohne vorherigen Kontakt mit PSCsChloraktivierung an PSCsMIRAFTIR1019 Molek. / m212345Chlormonoxid (ClO) spielt eineSchlüsselrolle beim anthropoge-nen Ozonabbau, weshalb hier bei-spielhaft Messergebnisse diesesSpurengases vom Winter 1999/2000 in Kiruna gezeigt werden. Imlinken Teil der Abb. 4 sind die je-weils um die Mittagszeit gemes-senen Gesamtsäulen dargestellt,die eine im allgemeinen guteÜbereinstimmung zwischen bei-den Messgeräten zeigen. Die auf-tretenden Abweichungen sind imwesentlichen auf apparative Ein-flüsse wie z.B. Rauschen zurück-zuführen. Die Ergebnisse zeigenSchwankungen des ClO-Ge-samtsäulengehaltes aufgrund dy-namischer und chemischer Ein-flüsse. Der rechte Teil der Abbil-dung zeigt die von MIRA 2 am 11. März 2000 gemessene Zeit-reihe von ClO. Da MIRA 2 in derLage ist, mit einer zeitlichen Auflö-sung von etwa drei Stunden rundum die Uhr ClO zu messen, zeigtsich der typische Tagesgang um20 km Höhe aufgrund der Bildungdes Cl2O2-Dimers in der Nacht undseiner Photolyse am nächstenMorgen nach Sonnenaufgang [4].Abb. 5 zeigt die aus den Messun-gen beider Geräte  gewonnenenZeitreihen von Ozon. Deutlich sinddie hauptsächlich durch dynami-sche Prozesse verursachten Kon-zentrationsschwankungen in dermittleren Stratosphäre zu erken-nen. Da der anthropogene Ozon-abbau in der unteren Stratosphä-re in diesen Zeitreihen nur schwerzu erkennen ist, zeigt Abb. 6 dieOzonabbauprofile, die durch Mit-telung der Profile von Januar undMärz, Korrektur um dynamischeMessungen von OzonMessungen von ClO55(55)Abb. 5: Zeitliche Entwicklung von Ozon im Winter 1999/2000 über Kiruna, gemessen von MIRA 2(oben) und dem FTIR (unten). Die starke Variabilität in der mittleren Stratosphäre bei etwa 35 km Höheist auf dynamische Effekte zurückzuführen. Der anthropogene Ozonabbau um 20 km Höhe ist in die-ser Darstellung nur schwer zu erkennen.60Höhe [km]Höhe [km]5040302010605040302010330 34019992000Tag im Jahr350 20 30 40 50 60 7030 40 50 60 7080 90O3 [ppmv]> 8.07.0 – 8.06.0 – 7.05.0 – 6.04.0 – 5.03.0 – 4.02.0 – 3.01.0 – 2.00.0 – 1.0Abb. 6: Ozonverlust über Kiruna von Janu-ar bis März 2000. Die Abweichungen zwi-schen beiden Kurven beruhen hauptsäch-lich auf der unterschiedlichen Höhenauflö-sung der verwendeten Messgeräte3025201510Ozonverlust [ppmv]MIRAFTIR–1.5 –1.0 –0.5 0.0 0.5Höhe [km]Effekte und anschließende Diffe-renzenbildung gewonnen wurden.Die Unterschiede zwischen bei-den Kurven lassen sich mit der un-terschiedlichen Höhenauflösungbeider Messgeräte erklären. Eswird deutlich, dass sich der Ozon-abbau hauptsächlich auf denHöhenbereich zwischen 15 und25 km erstreckt. In der strato-sphärischen Säule ergibt sich einanthropogener Ozonverlust vonfast 18 %.Die FTIR-Messungen in Kirunaund auf Teneriffa werden in Zu-kunft zur Satellitenvalidierung ge-nutzt, z.B. für den am 1. März2002 gestarteten ENVISAT. Wei-terhin werden die beiden Infrarot-spektrometer auch in Zukunft rou-tinemäßig Messungen im Rah-men des NDSC an den bisherigenStandorten durchführen. Das Mil-limeterwellenradiometer MIRA 2wird künftig dauerhaft auf dem Pico Espejo in Venezuela statio-niert sein und dort ebenfalls derValidierung von ENVISAT dienen.Es wird angestrebt, diesen Stand-ort als erste primäre tropische NDSC-Station zu etablieren.Ausblick56(56)[1] P. J. Crutzen, F. Arnold, Nature, 324, 651-655, 1986. [2] M. Kuntz, KfK-Bericht Nr. 5421, 1993[3] G. Kopp, H. Berg, Th. Blumenstock,H. Fischer, F. Hase, G. Hochschild,M. Höpfner, W. Kouker,Th. Reddmann, R. Ruhnke,U. Raffalski, Y. Kondo, akzeptiert zur Veröffentlichung imJournal of Geophysical Research,2001[4] L. T. Molina, M. J. Molina, J. Phys. Chem., 91, 433-436, 1987Literatur

Messung stratosphärischer Spurengase für die Ozonforschung mit bodengebundener Millimeterwellenradiometrie und Infrarotspektroskopie

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120054529/3814352

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