Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

Ozone in the atmosphere is an important oxidant and a greenhouse gas. While the highest mixing ratios are found in the stratosphere which protect us from the dangerous UV radiation, changes of ozone at tropopause levels can have significant climate effects. Furthermore ozone is the main precursor of the hydroxyl radical (OH), thus strongly affecting the oxidation power of the atmosphere. Convective transport of ozone and its precursors between low altitudes near the surface and the middle and upper troposphere influences ozone in the tropopause region. In this study data from the airborne measurement campaigns GABRIEL 2005 (Suriname, South America), HOOVER I 2006 and HOOVER II 2007 (both over Europe) are used. With the available dataset the ozone budget in the free troposphere at background conditions and in cases of deep convection is investigated. In the measurement region steady state calculations, based on in-situ measurements of O3, NO, OH, HO2 and actinic radiation are used to derive ozone tendencies from the calculated net ozone production rate (NOPR) for the background atmosphere. The experimental results are compared to simulations with the global chemistry transport model MATCH-MPIC. Two case studies in the tropics and mid-latitudes are used to quantify the effect of deep convection on the upper troposphere.rnThe results show a clear tendency for ozone production in the boundary layer both at low and mid-latitudes, which wasn’t expected for the tropical region. In the upper troposphere in both regions a slight tendency for ozone production is observed at altitudes higher than 7 km. Significant differences are identified for the middle troposphere. While the tropics are characterised by a clear tendency for ozone destruction in this region, the mid-latitudes show a high photochemical activity but no distinct tendency. At high latitudes the whole troposphere is considered as neutral, with respect to production or destruction of ozone and almost no photochemical activity. Comparing these results with the MATCH-MPIC model shows a general agreement for the tendency to produce or destroy ozone in most parts of the measurement regions. But the absolute values are generally underestimated. Significant differences between in-situ data and model simulations are identified for the boundary layer over the tropical rainforest. The influence of convection leads to a significantly enhanced NOPR. In the tropics a median value of 0.20 ppbv h−1 for the NOPR shows an enhancement of a factor of 3.6 compared to the undisturbed upper troposphere. At mid-latitudes for NO-concentrations, which are one order of magnitude higher, a NOPR of 1.89 ppbv h−1 is observed, resulting in an enhancement of a factor of 6.5 compared to the background situation. These results show enhanced ozone production following convective activity in both regions. rnrnFurthermore deep convection is a highly efficient mechanism for vertical trace gas transport from the Earth’s surface to the upper troposphere (UT). In convective clouds the rapid uplift of different trace gases with surface sources results in enhanced concentrations of these species in the upper troposphere. Formaldehyde (HCHO) and hydrogen peroxide (H2O2), which are important HOx precursors, are highly soluble trace gases. In general, it is assumed, that they can be efficiently scavenged and subsequently removed by precipitation in deep convective clouds.rnHere a case study of deep convection over Germany in summer 2007 within the framework of the HOOVER II project is analysed. On July 19 three isolated convective cells developed along the south eastern edge of a north easterly moving mesoscale convective system (MCS) in the early afternoon. Airborne in situ measurements in the outflow and near the assumed inflow region of one of these isolated cells provide an excellent data set to study the influence of deep convection on the mixing ratios of many different species in the UT region. A comparison of outflow and boundary layer mixing ratios indicate an almost undiluted transport of the longer lived species (CO, CH4) to the UT with [Outflow]/[BL] ratios of (0.94±0.04) for CO and (0.99±0.01) for CH4. For the highly soluble species HCHO and H2O2 the ratio still amounts to (0.55±0.09) and (0.61±0.08), respectively. Thus these species are not completely washed out in the convective updraft. Box model calculations constrained by measurement data are performed to estimate the contribution of photochemical production in order to better understand the effects of convection on the budgets of these species in the tropopause region. A scavenging efficiency of (67±24) % for HCHO and (41±18) % for H2O2 was estimated, indicating that especially H2O2 is transported much more efficiently in the convective updraft than expected from its Henry’s law constant. Degassing during cloud drop freezing, i.e., a retention coefficient of less than unity, is one possible mechanism to explain the observed mixing ratios of these soluble species in the outflow.