meteorologie der Ozone

Meteorologie des Ozons
Die Troposphäre und die Stratosphäre sind die beiden untersten Schichten der Atmosphäre. Die Troposphäre ist die Schicht neben der Erdoberfläche. Im Durchschnitt erstreckt es sich 11 km bis zur Spitze der Troposphäre, die Tropopause genannt wird.

In der Troposphäre nimmt die Temperatur im Allgemeinen mit der Höhe ab. Der Grund dafür ist, dass die Gase der Troposphäre sehr wenig von der einfallenden Sonnenstrahlung absorbieren. Stattdessen absorbiert der Boden diese Strahlung und erwärmt dann die troposphärische Luft durch Leitung und Konvektion. Da diese Erwärmung in Bodennähe am effektivsten ist, nimmt die Temperatur in der Troposphäre mit zunehmender Höhe allmählich ab, bis die Tropopause erreicht ist. Dies ist der Beginn der Stratosphäre. In der Stratosphäre bleibt die Temperatur bis etwa 20 km isotherm. Dann passiert etwas Seltsames – die Temperatur beginnt tatsächlich mit der Höhe zu steigen. Ab einer Temperatur von etwa -56,5 C bei 20 km steigt sie auf -2,5 C bei 50 km.

Der Grund für diese Temperaturschwankungen ist, dass Ozon die UVB-Strahlung in der unteren Atmosphäre absorbiert. Höher in der Atmosphäre absorbiert normaler zweiatomiger Sauerstoff jedoch die UVC-Strahlung. Sobald es absorbiert ist, wird es bei verschiedenen Wellenlängen erneut abgestrahlt, wodurch die Stratosphäre erwärmt wird. An der Spitze der Stratosphäre (etwa 50 km, der Stratopause) beginnt die Temperatur mit zunehmender Höhe wieder zu sinken. Oberhalb der Stratopause werden in der Mesosphäre, Thermosphäre und Exosphäre schädliche Gamma- und Röntgenstrahlen absorbiert. Diagramm: NASA Atmosphärische Ozonkarte.

Die Zirkulation der Atmosphäre ist sehr komplex und hat viele ursächliche Faktoren. Die Menge der Sonnenstrahlung, die den Boden erreicht, variiert je nach Breitengrad, Jahreszeit und Wolkendecke. Spezifische Wärmekapazitäten für verschiedene Oberflächenmaterialien variieren stark.

Zusätzlich beeinflusst die Corioliskraft, die sich aus der Erdrotation ergibt, die Bewegung der Luft. Der Nettoeffekt dieser Faktoren ist der Transport von Ozon aus den Tropen, wo das meiste Ozon gebildet wird, in die mittleren und höheren Breiten. Natürlich ist die Ozonbewegung aufgrund von Schwankungen um die Erde nicht gleichmäßig, und auf einem bestimmten Breitengrad wird es Konzentrationsschwankungen geben. Da Ozon in der Stratosphäre produziert und transportiert wird, ist ein gewisses Verständnis der Struktur und Zirkulation der Stratosphäre erforderlich. Die meridionale Zirkulation oder die Zirkulation entlang der Längengrade zeigt aufsteigende stratosphärische Luft in den Tropen, die in mittleren und höheren Breiten absteigt. Ozon wird durch diese Strömung transportiert.

Rechts: Transport von Ozon dargestellt durch gekrümmte blaue Linie. JETSTREAM-Standort angegeben durch J. „Abbildung 12.5“ aus einer Einführung in die dynamische Meteorologie. Dritte Ausgabe (von Dr. James Holton, 1992. Vol. 48 in der International Geophysics Series, Seite 412.)

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Stratosphäre ist der kalte Luftpool, der sich im Winter in hohen Breiten bildet. Diese kalte Luft ist in der unteren Stratosphäre bei etwa 25 km zentriert. Während der südlichen Hemisphäre kann die Winterluft in der Nähe des Südpols Temperaturen erreichen, die kälter als -90C sind. In der nördlichen Hemisphäre erreichen die niedrigsten Temperaturen etwa -65C. CLAES Temperaturdaten

Infolgedessen bildet sich eine Zone starker Westwinde (oder Wirbel) und umgibt jeden Pol. Da der Temperaturkontrast in der Nähe des Südpols am größten ist, ist der Wirbel, der sich dort während des Winters der südlichen Hemisphäre bildet, erheblich stärker als der Wirbel, der sich während des Winters der nördlichen Hemisphäre bildet. Eine Folge der sehr kalten Temperaturen der Stratosphäre in der Nähe des Südpols ist die Bildung von zwei Arten von polaren stratosphärischen Wolken (PSC). Einer besteht aus reinem Wassereis. Obwohl die Luft sehr wenig Feuchtigkeit enthält, können selbst diese geringen Mengen bei sehr niedrigen Temperaturen durch den Prozess der Sublimation (Abscheidung) eiskristallhaltige Wolken erzeugen. Der andere und häufigere Typ besteht aus einer hydratisierten Form von Salpetersäure (HNO3): Die Salpetersäure-Moleküle sind an Wassermoleküle gebunden. Reaktionen in diesen Wolken wandeln stabile Formen von Chlor in Cl Um2was unter dem Einfluss von Sonnenlicht leicht dissoziiert und Ozon zerstört. Diese Reaktionen entfernen auch gasförmiges HNO3. Das Ergebnis ist eine fast vollständige Zerstörung des Ozons in der unteren Stratosphäre in Höhen von etwa 14 bis 19 km. Unter sonnenbeschienenen Bedingungen wird HNO3 photolytisch und setzt NO2 frei. Das NO2 reagiert dann mit ClO und entfernt es aus Reaktionen mit Ozon.

Aufgrund der sehr kalten Temperaturen, die für die Bildung von PSCs erforderlich sind, liegt die Höchstwahrscheinlichkeit des Auftretens in der nördlichen Hemisphäre Anfang Februar nur bei etwa 10%. In der südlichen Hemisphäre kommen sie jährlich vor, obwohl ihre räumliche Ausdehnung und zeitliche Dauer variieren.

Diese Abbildung zeigt, wo die PSCs zu erwarten sind. Häufig werden vertikale Positionen in der Atmosphäre durch atmosphärischen Druck referenziert. Hektopascal sind die üblichen Einheiten. Das größte Vorkommen liegt bei einem Druck von 68 hPa (Hektopascal) und einer Höhe von etwas weniger als 19 km. Der niedrigste gezeigte Druck beträgt 14 hPa, etwa 29 km.