Modellsimulationen: Vorhersage von Änderungen der Ozonschicht

Modellsimulationen werden für die Vorhersage zukünftiger Änderungen der Ozonschicht genutzt.

Im Rahmen von Forschungsprojekten der Helmholtz-Gemeinschaft werden Modellsimulationen für die Vorhersage zukünftiger Entwicklungen und Änderungen der Ozonschicht genutzt. Datengrundlage bilden auch ballongetragene Messungen.

Die Ozonschicht ist ein wichtiger Bestandteil der Atmosphäre und damit des globalen Klimasystems. Die Ozonschicht befindet sich in der Stratosphäre, in Höhen von ca. 15 bis 30 km. Die Absorption solarer ultravioletter (UV-) Strahlung in der Ozonschicht schützt zum einen die Biosphäre vor diesen schädlichen energiereichen Strahlen und wirkt zum anderen als effektive Heizung der Stratosphäre. Damit haben Änderungen der Ozonverteilung in der Stratosphäre direkte Auswirkungen nicht nur auf die Intensität der UV-Einstrahlung auf die Erdoberfläche, sondern auch auf die thermische Struktur der Stratosphäre und damit auf das globale Klimasystem. Gleichzeitig wirken Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation und in der Emission anthropogener Substanzen auf die Ozonschicht ein. Sie ist damit integraler Teil des globalen Klimasystems und ein detailliertes Verständnis der Prozesse, die die Verteilung von Ozon in der Atmosphäre regulieren, ist fundamental für eine korrekte Klimavorhersage und für die Vorhersage zukünftiger UV-Belastung der Biosphäre.

Seit rund 50 Jahren hat die Emission von chlor- und bromhaltigen Substanzen (insb. Flurchlorkohlenwasserstoffe und Halone) durch menschliche Aktivitäten zu einer Ausdünnung der Ozonschicht geführt.  Der Ozonverlust ist sehr gering in den Tropen und beträgt heute ungefähr 3,5 % im globalen Mittel. Der bei weitem größte Ozonverlust tritt jedes Jahr seit ca. 1980 im Antarktischen Frühjahr auf, wo ungefähr zwei Drittel der gesamten Ozonsäule über der Antarktis verloren gehen. Diese starke Ozonzerstörung wird als "Ozonloch" bezeichnet.

Arktis: Ozonstörung vor allem im Winter und Frühjahr

Über der Arktis tritt heutzutage in den meisten Jahren im Spätwinter und Frühjahr ebenfalls Ozonzerstörung auf. Die Variation ist von Jahr zu Jahr größer als in der Antarktis, die maximale Ozonzerstörung dagegen in der Regel geringer. Die bislang größte Ozonzerstörung in der Arktis trat im Winter 2010/2011 auf (Manney et al. 2011). Die Ozonverluste erreichten zu diesem Zeitpunkt die in der Antarktis üblicherweise beobachteten Werte (Abb. 1).

Messungen der stratosphärischen Ozonkonzentrationen sind entscheidend um den Zustand der Ozonschicht zu überwachen und um die chemischen und physikalischen Prozesse, die die stratosphärischen Ozonkonzentrationen bestimmen, besser zu quantifizieren. Abbildung 2 zeigt eine Zeitserie des Minimums der Ozonsäule über der arktischen Polarkappe im März. Deutlich zu erkennen ist die große Variabilität der Werte von Jahr zu Jahr sowie der Rekordverlust im Jahr 2011. Das Alfred-Wegener-Institut (AWI) führt seit langem ballongetragene Messungen der Ozonschicht in Ny-Ålesund auf Spitzbergen und an der Neumayer-Station in der Antarktis durch.

Modellsimulationen der chemischen und physikalischen Vorgänge in der Ozonschicht in der Stratosphäre sind ein wichtiger Bestandteil der Klimaforschung geworden. Im Rahmen von ESKP werden in der Helmholtz-Gemeinschaft die Modelle ATLAS und CLaMS genutzt, um im Verbund mit Messungen Prozesse zu analysieren und begrenzte Vorhersagen zu treffen. Um die zukünftige Entwicklung der Ozonschicht in einem sich verändernden Klima vorherzusagen, werden umfangreiche, numerisch sehr aufwändige Modelle benötigt (sogenannte Chemie-Klimamodelle oder Erdsystemmodelle). In besonders kalten zukünftigen arktischen Wintern, wie beispielsweise 2011, besteht die Gefahr einer starken Ausdünnung der Ozonschicht im Frühjahr über stark besiedelten Gebieten.

Aktuelle Vorhersagen von Änderungen der Ozonschicht ab 2010 finden Sie hier.

Literatur:
G. Bernhard, G. Manney, V. Fioletov, J.-U. Grooß, A. Heikkilä, B. Johnsen, T. Koskela, K.   Lakkala, R. Müller, C. L. Myhre, M. Rex (2012) [The Arctic] Ozone and UV radiation [in “State of the Climate in 2011”]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 93 (7), S129-S132 Manney, G. L., M. L. Santee, M. Rex, N. J. Livesey, M. C. Pitts, P. Veefkind, E. R. Nash, I. Wohltmann, R. Lehmann, L. Froidevaux, L. R. Poole, M. R. Schoeberl, D. P. Haffner, J. Davies, V. Dorokhov, H. Gernandt, B. Johnson, R. Kivi, E. Kyrö, N. Larsen, P. F. Levelt, A. Makshtas, C. T. McElroy, H. Nakajima, M. C. Parrondo, D. W. Tarasick, P. von der Gathen, K. A. Walker, N. S. Zinoviev, Unprecedented Arctic ozone loss in 2011, (2011), Nature, 478, 7370, 469.

R. Müller, J.-U. Grooss, C. Lemmen, D. Heinze, M. Dameris, G. Bodeker (2008) Simple measures of ozone depletion in the polar stratosphere, 8, Atmos. Chem. Phys., 251–264.

J.-U. Grooß, M. Riese, R. Spang und R. Müller (2014): Rückgang des Ozons in der Stratosphäre der Polarregionen In: Lozán, J.L., H.Grassl, D.Notz & D.Piepenburg (2014): WARNSIGNAL KLIMA: Die Polarregionen. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg. 376 Seiten. ISBN: 978-39809668-63

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