Stratosphärischer Ozonverlust im Sommer in mittleren Breiten - ein potentielles Risiko von Climate-Engineering? (CE-O3)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Klima der Erde ändert sich durch industriell emittierte Treibhausgase. Die ansteigenden Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre führen zu einer globalen Erderwärmung, welche Lebensräume überall auf der Erde verändert. Um die Risiken einzudämmen, welche vom Klimawandel ausgehen, könnte die Anwendung von ‘Sulfat Geoengineering’ eine unterstüzende Maßnahme sein. Durch das Einbringen von Sulfataerosolen in die Stratosphäre wird Sonnenlicht, welches die Erdoberfläche erreicht und dadurch erwärmen kann, abgeschwächt. Dadurch würde man vermeiden, dass die Temperaturen an der Erdoberfläche ansteigen und so negative Konsequenzen der globalen Erderwärmung vermindern oder sogar vermeiden. Allerdings birgt Sulfat Geoengineering auch Risiken, welche vor der Anwendung erforscht werden müssen. Das Ziel des Projektes CE-O3 war es, das Risiko zu beurteilen, welches möglicherweise zu Ozonverlust in der untersten Stratosphäre der mittleren Breiten während des Sommers führt und dadurch zu einer höhren UV-Belastung der Erdoberfläche auf der dichtbesiedelten Nordhemisphäre führen könnte. Katalytische Ozonabbauzyklen treten jährlich im polaren Winter auf und es wird vermutet, dass diese Zyklen auch in den mittleren Breiten im Zusammenhang mit konvektiven Ereignissen auftreten könnten, welche Wasserdampf in die unterste Stratosphäre transportieren und somit zu Ozonabbau führen. Der Ozonabbaumechanismus und dessen Sensitivität gegenüber verschiedenen Bedingungen wird hier analysiert, indem Box-Modell-Simulationen mit dem Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) durchgeführt werden. Die chemische Initialisierung der Box- Modell-Simualtionen basiert auf Flugzeugmessungen in der untersten Stratosphäre über zentral Nordamerika. Analysiert werden der Chloraktivierungsschritt (als Schlüsselschritt des Mechanismus), chlorkatalysierte Ozonabbauzyklen sowie das Fortbestehen von Chloraktivierung entlang einer realistischenTrajektorie. Dabei wird ein Schwellwert im Wasserdampf Mischungsverhältnis identifiziert, welcher überschritten und erhalten werden muss, damit der Ozonabbaumechanismus auftreten kann. Dieser Schwellwert hängt hauptsächlich von der Temperatur und dem Schwefelgehalt in der Stratosphäre ab. Eine Simulation basierend auf beobachteten Bedingungen, welche am wahrscheinlichsten eine Chloraktivierung ermöglichen, hat allerdings keine relevante Chloraktivierung gezeigt. Zusätzlich wird im Rahmen des Projektes CE-O3 die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass dieser Ozonabbaumechanismus auftritt, sowie dessen Einfluss auf stratosphärisches Ozon für heutige und zukünftige Bedingungen. Dabei wird sowohl ein Klimawandelszenario als auch die zusätzliche Anwendung von Geoengineering analysiert, basierend auf Ergebnissen von Klimasimulationen (Geoengineering Large Ensemble Simulations (GLENS)). Schwellwerte für die Chloraktivierung werden in Abhängigkeit des Wasserdampfmischungsverhältnis und der Temperatur mithilfe von CLaMS Box-Modell-Simulationen berechnet. Diese Schwellwerte werden dann mit den Bedingungen in der unteren Stratosphäre aus den Ergenissen der Klimasimulationen verglichen. Durch umfangreiche Sensitivitätstest im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass die zukünftige Anwendung von Geoengineering zu einer 2–3 mal höhren Wahrscheinlichkeit als für heutige Bedingungen führt, dass der untersuchte Ozonabbaumechanismus auftritt. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, dass unter Anwendung von Sulfat Geoengineering Chloraktivierung über zentral Nordamerika auftritt sehr gering (3.3%). In allen betrachteten Fällen für heutige und zukünftige Bedingungen werden weniger als 0.4% des Ozons in der unteren Stratosphähre zerstört. Dies führt zu einer Obergrenze im Ozonverlust von 0.11 DU. Zusammenfassend wurde im Rahmen des Projektes CE-O3 zum ersten Mal gezeigt, dass das Risiko für einen erhöhten Ozonabbau in der unteren Stratosphäre im Sommer über Nordamerika für heutige als auch unter Berücksichtigung von möglichen zukünftigen Bedigung wie Klimawandel und ‘Sulfat Geoengineering’ zu vernachlässigen ist. Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag für die Bewertung der Risiken von Sulfat-Geo-Engineering in der Atmosphäre z.B. durch die ‘World Meteorological Organization’ (WMO).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The maintenance of elevated active chlorine levels in the Antarctic lower stratosphere through HCl null cycles, Atmos. Chem. Phys., 18, 2985–2997, 2018
Müller, R., Grooß, J.-U., Zafar, A. M., Robrecht, S., and Lehmann, R.
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The relevance of reactions of the methyl peroxy radical (CH3O2) and methylhypochlorite (CH3OCl) for Antarctic chlorine activation and ozone loss, Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 70, 1–18
Zafar, A. M., Müller, R., Grooß, J.-U., Robrecht, S., Vogel, B., and Lehmann, R.
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Mechanism of ozone loss under enhanced water vapour conditions in the mid-latitude lower stratosphere in summer, Atmos. Chem. Phys., 19, 5805–5833
Robrecht, S., Vogel, B., Grooß, J.-U., Rosenlof, K., Thornberry, T., Rollins, A., Krämer, M., Christensen, L., and Müller, R.
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Potential of future stratospheric ozone loss in the mid-latitudes under climate change and sulfate geoengineering, Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2020, 1–40
Robrecht, S., Vogel, B., Tilmes, S., and Müller, R.
