HALO-missionen undersøger ozonnedbrydning og processer, der påvirker klimaet

Det tyske forskningsfly HALO vil udforske den sydlige halvkugle som en del af projektet SouthTRAC (Transport and Composition of the Southern Hemisphere UTLS) i september og november 2019. Data fra den sydlige halvkugle er afgørende for forståelsen af, hvordan klimaændringer påvirker den globale atmosfæriske atmosfære. strømme. Imidlertid, næsten ingen målinger er foretaget på den sydlige halvkugle i højder på 10 til 15 kilometer. SouthTRAC-projektet har til formål at udfylde disse huller i vores forståelse.

Hovedmålene med den første fase af denne kampagne er at undersøge ozonnedbrydningen over Antarktis om foråret, det såkaldte ozonhul, og at evaluere betydningen af ​​tyngdekraftsbølger over den sydlige spids af Amerika og Antarktis for cirkulationen i stratosfæren. Stratosfæren indeholder ozonlaget og er det atmosfæriske lag i højder over 12 kilometer. I anden fase af kampagnen, der finder sted i november, det videnskabelige hovedfokus vil være på at undersøge, hvordan luftmasser udveksles og blandes mellem stratosfæren og troposfæren, især i subtropiske områder.

Under transferflyvningerne mellem Europa og Sydamerika, videnskabsmænd vil udforske, blandt andre emner, effekten af ​​den nuværende afbrænding af biomasse i Amazonas regnskoven på atmosfærisk sammensætning og klima. Forskere fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Goethe University Frankfurt, sammen med Forschungszentrum Jülich, det tyske luftrumscenter (DLR), og Karlsruhe Institute of Technology (KIT), vil koordinere de omfattende forskningsflyvninger. Til dette projekt, universiteterne i Mainz og Frankfurt samarbejder som en del af alliancen Rhine-Main Universities (RMU).

Fokus på drivhusgassernes indvirkning på klimaændringer

Sporgasser som kuldioxid og vanddamp er potente drivhusgasser og spiller en vigtig rolle i klimaforandringerne. Dette omfatter også stratosfærisk ozon, som fungerer som en drivhusgas. Siden slutningen af ​​1980'erne, Montreal-protokollen har forbudt brugen af ​​chlorfluorcarboner (CFC'er), som kraftigt nedbryder ozonlaget. Imidlertid, det vil tage mange årtier for ozonlaget at komme sig. På samme tid, klimaændringer påvirker atmosfærens vanddampindhold. SouthTRAC-kampagnens forskere ser i øjeblikket i detaljer på betydningen af ​​dette for den kemiske sammensætning af luften på den sydlige halvkugle og for globale klimaændringer.

En region med særlig alvorlig ozonnedbrydning opbygges år for år over Antarktis. De atmosfæriske forhold, der bidrager mest til ozonnedbrydningen over Antarktis, er lave temperaturer og reducerede luftmasseudvekslinger mellem mellem og høje breddegrader i stratosfæren. Sidstnævnte aktiveres af en stabil hvirvel, den såkaldte antarktiske polarhvirvel.

Forskergrupperne er interesserede i selve polar ozonnedbrydning, og i spørgsmålet om, hvordan luftmasser fra hvirvelen påvirker sammensætningen af ​​regionen i højder på 10 til 15 kilometer. Denne region er også af særlig betydning for klimaet på jordoverfladen. Vanddamp og ozon spiller nøgleroller her, da deres fordeling direkte påvirker atmosfærens energibalance. Ud over virkningerne af polær ozonkemi, emissioner fra skovbrande i Amazonas og Centralafrika forstyrrer de kemiske processer på jorden, som bestemmer produktionen og ødelæggelsen af ​​ozon og andre stoffer.

Forskerne vil analysere det kemiske stof samt de dynamiske effekter, der påvirker fordelingen og blandingen af ​​stoffer, der påvirker atmosfærisk kemi og i sidste ende jordens klima. Denne forskning vil hovedsageligt fokusere på indflydelsen af ​​troposfæriske depressioner, stratosfærisk cirkulation, og den polære hvirvel. Den relative rolle af alle disse fænomener på området mellem 10 og 15 kilometers højde adskiller sig væsentligt mellem den sydlige og nordlige halvkugle.

JGU har en ledende rolle i SouthTRAC

Forskere fra professor Peter Hoors gruppe ved JGU Instituttet for Atmosfærisk Fysik er en del af projektets styregruppe, udfører målinger af kulilte og kuldioxid, blandt andre arter. Disse arter indikerer potentielt effekten af ​​forbrændingsprocesser i højder på op til 15 kilometer, selv i tilfælde af brande, der brænder flere tusinde kilometer væk. Ud over, disse målinger vil blive brugt til at undersøge tidsskalaerne for de dynamiske processer, der bestemmer fordelingen af ​​luftmasser og påvirker de klimarelevante arter ozon og vanddamp. Dette projekt vil blive gennemført sammen med Goethe University Frankfurt, støttet af begge universiteter som en del af Initiative Funding for Research of the Rhine-Main Universities (RMU).

En af de ledende videnskabsmænd er Dr. Heiko Bozem, som også har foretaget den lange transferflyvning fra Oberpfaffenhofen til Tierra del Fuego. I anden fase, Dr. Daniel Kunkel vil udarbejde flyveplaner baseret på aktuelle vejrudsigter og vil også tjene ombord på HALO som missionsforsker.

Meteorologiske og kemiske prognosemodeller vil blive brugt til at give information om det lokale vejr samt de atmosfæriske forhold og sporgasfordeling, som er nødvendige for præcis flyveplanlægning. Kemiske prognoser vil være tilgængelige på stedet, ved hjælp af den kemiske lagrangiske model for stratosfæren (CLaMS) udviklet ved Forschungszentrum Jülich. Meteorologiske prognoser er hovedsageligt baseret på numeriske vejrudsigter fra European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), men leveres også af tyskerne, britiske og argentinske meteorologiske kontorer. HALO langdistancemålinger af atmosfærisk sammensætning vil blive suppleret med jordbaserede måleaktiviteter. Målinger vil blive taget med radiosonder og om bord på et af svæveflyene, der opererer ud af byen El Calafate.

Tropopause og drivhusgasser

Tropopausen er grænsen mellem den vejraktive troposfære og stratosfæren ovenfor. På mellembreddegrader, tropopausen har en langsigtet gennemsnitlig højde på 8 til 12 kilometer; i troperne kan dens højde nå op til 18 kilometers højde. Koncentrationer af drivhusgasser som vanddamp og ozon ændrer sig kraftigt i denne højde.

Mens vanddamp kraftigt aftager med højden, ozon viser en kraftig stigning, der danner ozonlaget. Omfanget af dette respektive fald og stigning i koncentrationen i tropopauseregionen påvirker i sidste ende temperaturen på jorden, på grund af absorption af sol- og terrestrisk stråling. Baseret på satellitmålinger, forskere antager, at fordelingen af ​​drivhusgasser i tropopausen er forskellig mellem den nordlige og den sydlige halvkugle. SouthTRAC undersøger nu denne ulighed ordentligt for første gang.

Oceaner, bjerge, og tyngdekraftsbølger

Den polare hvirvel dannes om vinteren, når der ikke er sollys til rådighed til at opvarme luftmasserne over Antarktis. Når de afkøles, disse luftmasser begynder at synke, hvilket igen får luftmasser fra lavere breddegrader til at strømme mod polen. Under påvirkning af jordens rotation, disse luftmasser begynder at rotere rundt om polen ved meget høje vindhastigheder for at danne den polære hvirvel, som spænder over hele kontinentet Antarktis i stratosfæren. Det er i det isolerede indre af dette hvirvelsystem, at de kemiske reaktioner opstår, som om foråret giver anledning til det såkaldte hul i ozonlaget på den sydlige halvkugle. Positionen af ​​denne hvirvel kan blive forstyrret af tyngdekraftsbølger.

Tyngdekraftsbølger manifesteres som periodiske udsving i temperatur, tryk, og vind, der forplanter sig til højder op til 90 kilometer ind i mellematmosfæren, som består af stratosfæren og mesosfæren. De er begejstrede, når stærke vindsystemer møder høje bjergkæder. Med store bjerge, der løber fra nord til syd og udgør en stor hindring for de meget stærke vinde på disse breddegrader, den sydlige spids af Sydamerika og den antarktiske halvø er ideelle steder til at studere disse bølgers livscyklus og deres indflydelse på klimaændringer på den sydlige halvkugle.

Nattevagter til forskning

For at analysere egenskaberne af tyngdekraftsbølger, forskerne installerede en laser om bord på flyet. For at forhindre, at lasermålingerne bliver forstyrret, flyvningerne finder kun sted om natten. "De mange natflyvninger er noget af en udfordring for forskerne, " sagde Dr. Heiko Bozem. "Vores skift i Rio Grande begynder kl. 18.00. så flyvningerne kan foregå i mørke." HALO-flyet rejste til projektstedet i tre etaper, fra Oberpfaffenhofen nær München via Kap Verde-øerne til Buenos Aires og derefter videre til Tierra del Fuego.