Solar variability and trend effects in layers and trace gases in the upper atmosphere (SOLEIL)

• Applicant: Professor Dr. Franz-Josef Lübken
• Subject Area: Atmospheric Science
• Term: from 2005 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5453796

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

In der wissenschaftlichen Klimadiskussion steht der Einfluss des Anstiegs anthropogener Treibhausgase auf die globale Änderung unserer Atmosphäre in den untersten Kilometern im Vordergrund. Allerdings ist die bisher eingetretene mittlere globale Temperaturerhöhung mit 0.85 K von 1880 bis 2012, dies entspricht 0.06 K pro Dekade, jedoch klein. In der Atmosphäre oberhalb von etwa 8 km kehrt sich das Vorzeichen des Treibhauseffekts um: ein Anstieg der Konzentration von infrarot-aktiven Gasen führt zu einer Abkühlung durch eine gesteigerte Emission von Strahlung in den Weltraum. Die globale Veränderung der Atmosphäre findet besonders stark in einem Höhenbereich von 50-75 km statt. Antworten auf die Fragen nach den Ursachen für diese rapiden Änderungen in der mittleren Atmosphäre können uns nur numerische Atmosphärenmodelle (z.B. LIMA) geben. Letztere zeigen, dass die Strahlungsbilanz der mittleren Atmosphäre weitgehend bestimmt wird durch die Spurengase CO2 und O3. Die multivariate Trendanalyse erlaubt nun eine Aussage über den Beitrag am Gesamttrend der einzelnen Spurengase O3 und CO2. Die Spurengase CO2 und O3 tragen jeweils 2/3 bzw. 1/3 zum Trend bei. Die größten Trends liegen im Drucksystem mit 1.3 K/Dekade bei ca. 60 km, während auf geometrischen Höhen der Kontraktionseffekt der Atmosphäre die maximalen Trends auf bis zu 1.8 K/Dekade bei 70 km verstärkt. In den Höhen 80-90 km sind die Trendwerte am kleinsten und können sogar das Vorzeichen wechseln. Dieses Verhalten ist bedingt durch die sehr niedrigen Absoluttemperaturen in 80-90 km Höhe, die sehr empfindlich auf Variationen in den Strahlungsflüssen aus der Stratopausenregion reagieren. Weiterhin konnte in „SOLEIL“ gezeigt werden, dass Temperaturtrends zeitlich variabel sind. So zeigen im Teilzeitraum 1980-1996 die Temperaturen ihren stärksten Abfall aufgrund der Ozonabnahme: die Temperaturtrends können Werte bis zu 4 K pro Dekade erreichen. Im Zeitraum 1995-2009 sind die Durchschnittstemperaturen nahezu unverändert, weil sich hier das stratosphärische Ozon wieder aufbaut („ozone recovery“). Diese Phasen starker und schwacher Abkühlung zwischen 1961 bis 2008 sind konsistent mit abgeleiteten Temperaturtrends aus französischen Lidarbeobachtungen und Phasenhöhenmessungen am Institut für Atmosphärenphysik (IAP) Kühlungsborn. Der Höhenbereich 80-90 km ist auch die Region, in der Eiswolken seit mehr als 100 Jahren beobachtet werden. Diese Eiswolken (NLC/PMC) existieren in der Sommermesopausenregion polwärts ab 50°N und können sich nur unter sehr kalten Temperaturen unterhalb von etwa 150 K ausbilden. Obwohl der Wasserdampfgehalt in der Mesopausenregion mit 1-7 ppmv sehr gering ausfällt, ist diese Feuchtekonzentration ausreichend für die Bildung von Eisteilchen. Die Nukleation und das Wachstum dieser Eispartikel reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der Temperatur und des Wasserdampfes. Aus diesem Grund werden NLC/PMC auf ihre Rolle als potentieller Indikator für Klimaänderungen der globalen Atmosphäre untersucht. In einer weiteren Studie wurde die Analyseprozedur der Satellitendaten verändert (Korrektur der Streuwinkel- und Lokalzeitanpassung), die als Ergebnis eine nunmehr schwächere und nicht-signifikante Zunahme mit 0.85 %/Dekade der PMC-Häufigkeit zeigt. Auch die LIMA/Eis-Trendsimulation zeigt gleichfalls eine leichte, nur schwach signifikante PMC-Zunahme (1.43 %/Dekade), die genau innerhalb des Trendbereichs der beiden SBUV-Analysen liegt. Das tatsächliche Langzeitverhalten von PMC ist also noch nicht vollständig verstanden und damit die Frage über einen Klimawandel der Mesopausenregion nicht endgültig beantwortet.

Publications

• Lidar temperature measurements of gravity waves over K¨uhlungsborn (54◦ N) from 1 to 105 km: A winter-summer comparison. J. Geophys. Res., 111(D24), 2006
  M. Rauthe, M. Gerding, J. Höffner, and F.-J. Lübken
  
• Weather in mesospheric ice layers. Geophys. Res. Lett., 33, 2006
  U. Berger and F.-J. Lübken
  
• Interhemispheric comparison of mesospheric ice layers from the LIMA model. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 69/17-18:2292–2308, 2007
  F.-J. Lübken and U. Berger
  
• Simultaneous observation of noctilucent clouds, mesospheric summer echoes, and temperature at a midlatitude station (54◦ N). J. Geophys. Res., 112, 2007
  M. Gerding, J. Höffner, M. Rauthe, W. Singer, M. Zecha, and F.-J. Lübken
  
• The sensitivity of mesospheric ice layers to atmospheric background temperatures and water vapor. Adv. Space Res., 40:794–801, 2007
  F.-J. Lübken, M. Rapp, and I. Strelnikova
  
• Tidal structures within the LIMA model. Adv. Space Res., 40:802–808, 2007
  F. Herbort, G. Baumgarten, U. Berger, J. Fiedler, P. Hoffmann, and F.-J. Lübken
  
• Modeling of middle atmosphere dynamics with LIMA. J. Atmos. Solar-Terr. Phys., pages 1170–1200, 2008
  U. Berger
  
• Particle properties and water content of noctilucent clouds and their interannual variation. J. Geophys. Res., 113, 2008
  G. Baumgarten, J. Fiedler, F.-J. Lübken, and G. von Cossart
  
• Seasonal and latitudinal variation of noctilucent cloud altitudes. Geophys. Res. Lett., 35, 2008
  F.-J. Lübken, G. Baumgarten, J. Fiedler, M. Gerding, J. Höffner, and U. Berger
  
• Seasonal variation of nocturnal temperatures between 1 and 105 km altitude at 54◦ N observed by Lidar. Atmos. Chem. Phys., 8:7465–7482, 2008
  M. Gerding, J. Höffner, J. Lautenbach, M. Rauthe, and F.-J. Lübken
  
• Stratospheric and solar cycle effects on long-term variability of mesospheric ice clouds. J. Geophys. Res., 2009
  F.-J. Lübken, U. Berger, and G. Baumgarten
  
• Latitudinal and interhemispheric variation of stratosphericeffects on mesospheric ice layer trends. J. Geophys. Res., 116, 2011
  F.-J. Lübken and U. Berger
  
• Mesospheric temperature trends at mid-latitudes in summer. Geophys. Res. Lett., 2011
  U. Berger and F.-J. Lübken
  
• NLC and the background atmosphere above ALOMAR. Atmos. Chem. Phys., pages 5701–5717, 2011
  J. Fiedler, G. Baumgarten, U. Berger, P. Hoffmann, N. Kaifler, and F.-J. Lübken
  
• Anthropogenic effects on the distribution of minor chemical constituents in the mesosphere/lower thermoshere - a model study. Adv. Space Res., 50:598–618, 2012
  G. R. Sonnemann, P. Hartogh, U. Berger, F.-J. Lübken, and M. Grygalashvyly
  
• Solar variability and trend effects in mesospheric ice layers. In F.-J. Lübken, editor, Climate And Weather of the Sun-Earth System (CAWSES): Highlights from a priority program. Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2012
  F.-J. Lübken, U. Berger, J. Kiliani, G. Baumgarten, and J. Fiedler