Nordpol-Driftstation NP-35: Stratosphärische Ozonmessungen
Ozonsonde an einem meteorologischen Ballon
Die Entdeckung des antarktischen Ozonlochs 1985 führte zu einer intensivierten internationalen Forschung auf dem Gebiet der polaren Ozonschicht. Die Ozonschicht, die sich hauptsächlich in der Stratosphäre in einer Höhe von ca. 15-25 km über dem Boden befindet, schützt die Biosphäre von der gesundheitsgefährdenden ultravioletten (UV) Strahlung der Sonne. Anfängliche Forschungen fokussierten auf die chemischen Prozesse, die den Ozonabbau in polaren Breiten antreiben. Vieles ist in der Zwischenzeit verstanden. So sind die anthropogenen Emissionen von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) als Hauptursache der Ozonverluste identifiziert. Bei Anwesenheit von polaren stratosphärischen Wolken (engl.: polar stratospheric clouds, PSCs) in der Ozonschicht werden Abbauprodukte der FCKW von harmlose in agressive Moleküle überführt, die Ozon schnell zerstören. PSCs können sich im Winter in der polaren Stratosphäre bilden, wenn die Temperaturen zu sehr tiefen Werten fallen.
Ähnlich wie in der Antarktis - wenn auch weniger stark - vollzieht sich in einigen Wintern der Ozonabbau in der Arktis. Die Arktis liegt viel näher zu bevölkerten Gebieten als die Antarktis. Arktische Ozonverluste führen zu verminderten Dicken der Ozonschicht über Europa - ein Effekt, der bereits zu höheren Dosen an schädlicher UV Strahlung in Europa und Nordamerika geführt hat. Bislang war der Ozonverlust über der Arktis weniger ernst als über der Antarktis und das Ausmaß der Ozonverluste schwankt stark von Jahr zu Jahr. Die bekannte Ozonchemie kann nur 50% der beobachteten, jährlichen Variation der arktischen Ozonschicht im Frühling erklären. Dynamische Mechanismen, die nicht gut verstanden sind, sind genauso bedeutend für die Variabilität der arktischen Ozonschicht wie der chemische Ozonabbau.
An der arktischen Station des AWIs in Ny-Ålesund auf Spitzbergen (79° N) wurde in Höhen zwischen 25 und 30 km eine starke und systematische mehrjährige Variation des Ozongehalts beobachtet, die anscheinend mit der Variabilität der Sonnenstrahlung zusammen hängt, und die nicht durch die bekannte Chemie oder dynamische Prozesse erklärt werden kann. Wenn die beobachtete Amplitude des Effekts von 30% tatsächlich durch die Variabilität der Sonnenstrahlung verursacht wird, wäre dies bei weitem das stärkste Signal der Variabilität der Sonnenstrahlung auf die unteren Stratosphäre, das je gefunden wurde.
Die Gründe für diese unerklärten Variationen werden im Rahmen des Projekts untersucht.
Schema des Polarwirbels
In jedem Winter bildet sich ein ausgeprägtes Tiefdruckgebiet in der arktischen Stratosphäre - der sogenannte Polarwirbel. Er spielt eine Schlüsselrolle für die dynamischen Prozesse in der Stratosphäre, die zur Variabilität des arktischen Ozons beitragen. Insbesondere sind die dynamischen Prozesse und der Ozontransport während der Bildungsphase des Vortex bislang ungenügend gut verstanden.
Die Ozonsondierungen in der zentralen Arktis im Herbst und Winter haben zwei Ziele:
(1) Die dynamischen Prozesse und den Ozontransport während der Bildungsphase des arktischen Polarwirbels zu studieren.
(2) Zur Quantifizierung des chemischen Ozonabbaus beizutragen - die Station auf der Eisscholle wird an einer sogenannten Matchkampagne teilnehmen, die den chemischen Ozonabbau von dynamischen Änderungen unterscheiden kann und so präzise die Ozonabbaurate messen wird.
Elektrochemische Ozonsonde
Die vertikale Ozonverteilung wird durch elektrochemische Zellen mit einer sehr hoher vertikalen Auflösung gemessen. Solche Messungen werden regelmäßig an vielen Stationen weltweit durchgeführt. Bislang ist allerdings die Region nördlich von 82° N, die zentrale Arktis - eine Schlüsselstelle für die Variabilität des arktischen Ozons - ein weißer Fleck im Beobachtungsnetzwerk. Wir werden die ersten vertikal hochaufgelösten Ozonprofile in dieser Region messen und eine wesentliche Lücke in den hochaufgelösten, globalen Karten der Ozonschicht schließen.
Ozonsonden-Stationsnetz in der Arktis und mittleren Breiten mit Beispieltrajektorie
Diese einzigartigen Daten werden mit bereits existierenden Datensätzen von Ozonprofilen aus anderen Bereichen der Arktis und Sub-Arktis kombiniert. Berechnungen der Luftbewegungen (Trajektorien) und chemische Modelle werden zu einem besseren Verständnis der jahreszeitlichen und jährlichen Variabilität des arktischen, stratosphärischen Ozons beitragen.