„What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?“

Newman et al. 2009

-S- Mittlere Atmosphäre

WS 2009/10

Nico Becker

Hintergrund

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Hintergrund

● Ab 1859 Ammoniak als Kältemittel → giftig, führte zu Lecks in den Leitungen

● Ab 1930 Einsatz von FCKW → reaktionsträge, unbrennbar, geruchlos, ungiftig, usw.

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Hintergrund

● 1974, Molina und Rowland: Ozon könnte durch FCKWs abgebaut werden● Zerstörung von O3 durch Cl und Br in katalytischen Kreisläufen● Erhöhung der UV Strahlung als Folge

● 1985: Scientific assessment of ozone depletion

● 1987: Montreal Protokoll● Regulierung der Produktion von FCKWs und anderen ozone depleting

substances (ODS) ● Seitdem haben 193 Länder unterzeichnet

● Zwei Fragen● Wie verhalten sich ODS und O3 Konzentrationen in der Atmosphäre?● Was wäre ohne Regulierungen passiert? → the world avoided

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Verschiedene Studien

Was wäre ohne Regulierungen passiert?

● 1996, Prather et al.● 2D-Modell (latidude-altitude)● Keine Strahlung, Dynamik und Chemie

● 10% Ozonverlust bis 1999

● 2008, Morgenstern et al.● 3D CCM

● 35% mittlerer Ozonverlust in der oberen Stratosphäre bis 2030● 20% zusätzlicher Ozonverlust in den Polarregionen

● 2009, Newman et al.Update und Fortführung der früheren Modellstudien mit dem GEOSCCM bis 2065

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Übersicht

1. Ozon

2. Chemie

3. Dynamik

4. UV-Strahlung

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ExperimentDas Modell und die Simulationen

● 2° x 2,5° (lat x lon), 55 vertikale Schichten bis 0.01 hPa (80 km)

● 35 Spurengase● CO2, CH4 und N2O aus A1b Szenario● Das troposphärische Ozon wird alle 5 Tage an eine Klimatologie angepasst● PSCs werden parametrisiert (Considine et al., 2000)

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Experiment

EESC (equivalent effective stratospheric chlorine)● Berechnung: [Cl

y] + [Br

y] x 60

EECl (equivalent effective chlorine )● Konzetration am Boden● Wird im Modell als Emissionsquelle verwendet

Die Szenarien

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1. Ozon

Globales Jahresmittel des Gesamtozons

T<220K → „Ozonloch“

----- 2D Modell

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1. Ozon

Globales Jahresmittel des Gesamtozons

● Linearer Zusammenhang zwischen O3 und EESC

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1. Ozon

Zonale Jahresmittel des Gesamtozons

● Ab 2040 Ozonlochbedingungen in der Antarktis

● Ausgleich der zonalen Unterschiede

● 2065 macht das troposphärische Ozon im globalen Mittel 27 DU aus

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1. Ozon

Prozentualer Unterschied der Ozonkonzentration zwischen world avoided und reference für den Zeitraum 2055-2065

● 200 bis 30 hPaMaximale Abnahme im SH-Polarwirbel (90%)

● 5 bis 0,5 hPaBis zu 70% in den mittleren Breiten

● Abnahme in der Troposphäre durch Advektion ozonarmer Luft

● Positive Werte an tropischer Tropopause wahrscheinlich durch verstärkte Vertikalbewegung

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1. Ozon

Tropisches Ozon

Was verursacht die extreme Ozonabnahme ab 2050?

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1. Ozon

● Zusammenhang zwischen Ozonkonzentration und Temperatur

● Durch Unterschreiten der kritischen Temperatur heterogene Chemie in den Tropen möglich!

PSC I

Tropisches Ozon

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2. Chemie

Cl im „passiven Reservoir“ Cl als „aktive Radikale“

Tropen

● Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Chlorverbindungen

● Unterschreitung von 195K führt zur Bildung von Sulfatearosolen

● An deren Oberfläche werden passive in aktive Cl

y umgewandelt

➔ Ozon wird abgebaut

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2. Chemie

Arktis

● Aktive Chlorverbindungen bauen Ozon ab

● Geht das Ozon 2030 gegen null, wird der katalytische Kreislauf unterbrochen

● Dominierende Reaktion:Cl + CH4 → HCl + CH3

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2. Chemie

März: PolarnachtKeine Photolyse von Cl2O2

Ab 2035

Arktis

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3. DynamikUnterschied der Mitteltemperatur und Residualzirkulationzwischen world avioded und reference für den Zeitraum 2055-2065

Erwärmung durch Absinken

Größere Tropoausenhöhe

Abkühlung der Stratosphäre durch Rückgang der Absorption kurzwelliger Strahlung

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3. Dynamik

Unterschied der Zonalwinde im Januar zwischen „world avioded“ und „reference“ für den Zeitraum 2055-2065

SH: ● Westwinde statt

östlicher Sommerzirkulation

➔ Permanente Winterzirkulation(Nicht auf der NH)

NH:● Abgeschwächter

Polarwirbel

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4. UV-Strahlung

UV Fluss am 2 Juli 30°N bis 50°N

● Extremer Anstieg vor allem im Erythem-wirksamen Bereich unterhalb von 300 nm

● Der UV Fluss 2065 ist 109 mal stärker als 1980 (off scale)

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4. UV-Strahlung

UV Index am 2 Juli in 30°N bis 50°N

● UV Index = 30 in 2065➔ „wahrnehmbarer Sonnenbrand“ nach 5 bis 15 Minuten (Hauttyp II)

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Zusammenfassung

World Avoided

1. Ozon● Weltweit extremer Rückgang der Ozonkonzetrationen● Größte Abnahmen in oberer und unterer Stratosphäre● Plötzlicher Einbruch in den Tropen ab 2050

2. Chemie● Heterogene „Ozonloch-Chemie“ in den Tropen

3. Dynamik● Rückgang der Temperaturen durch fehlende Absorption● Geänderte Residualzirkulation● Permanente Winterzirkulation in der Antarktis

4. UV● Intensivierung vor allem Kurzwelliger UV-Strahlung und

mehrere Größenordnungen

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Quellen

● Newman et al, 2009: What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?

● Vorlesung „Die Stratosphärische Ozonschicht“ Modul „Meteorologie der mittleren Atmosphäre“, WS 2009/10, Vorlesung 5

● Natural Resources Canada’s Office of Energy Efficiency: Heating with a heat pump

● http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/Eisschrank_ca1900_1.jpg

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