AG Treibhausgase und ozonzerstörende Substanzen

Ziel dieser Messungen ist u.a. eine bessere Abschätzung der regionalen Emissionen halogenierter Kohlenwasserstoffe. Darüber hinaus soll der Anstieg von Ersatzsubstanzen, wie z. B. der in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzten Hydrofluoroolefine, in der Atmosphäre beobachtet werden. 

Die Tropoppause trennt Troposphäre und Stratosphäre. Die Tropopausenregion gilt als eine besonders klimarelevante Region, d.h. verhältnismäßig kleine Änderungen der Spurengaskonzentrationen können einen relativ großen Einfluss auf den bodennahen Strahlungsantrieb haben.

Bilder: DLR

Wir messen halogenierte Spurengase mit dem GhOST-MS auf dem Forschungsflugzeug HALO und im Rahmen von IAGOS-CARIBIC. Damit untersuchen wir Transportprozesse und chemischen Budgets im Tropopausenbereich. Zum einen geschieht dies über die Bestimmung des mittleren Alters der Luft, also der mittleren Transportzeit von den troposphärischen Quellen, und zum anderen durch die Messung halogenierter Quellgase für Chlor, Brom und Iod in der Stratosphäre. Ein Schwerpunkt sind hierbei kurzlebige Quellgase von Chlor und Brom, die auch reaktive Halogene in die Stratosphäre eintragen können. Durch die Messung dieser Gase, die unterschiedlich lange Lebenszeiten haben, können wir untersuchen, auf welchen zeitlichen und räumlichen Skalen Transport in die Stratosphäre stattfindet.

Fast alle Luft in der Stratosphäre wird durch die tropische Tropopause aus der Troposphäre in die Stratosphäre eingetragen.

Mit Hilfe der Messung langlebiger Spurengase kann das mittlere Alter der Luft bestimmt werden, also der Mittelwert der Transitzeiten. In erster Näherung wird dies aus dem Zeitversatz bestimmt, mit dem ein bestimmtes Mischungsverhältnis in der Troposphäre und der Stratosphäre gefunden wird. Für eine genauere Bestimmung des mittleren Alters müssen dann noch Effekte durch nichtlineare Anstiegsraten und die Form der Transitzeitverteilung berücksichtigt werden. Sollte sich z.B. der Transport in der Stratosphäre beschleunigen, wie von aktuellen Klimamodellen vorhergesagt, dann sollte dies zu einer Abnahme des mittleren Alters führen.

Dieses mittlere Alter bestimmen wir sowohl aus SF6- als auch aus CO2-Messungen. Beide Substanzen können an Luftproben gemessen werden, die z.B. mit einem kryogenen Luftprobensammler in der Stratosphäre gesammelt werden. CO2 können wir mit Hilfe der AirCore Technik bestimmen, und SF6 messen wir auch auf dem HALO Flugzeug.

Neben Messdaten stratosphärischer Spurengase kommen auch Modellrechnungen von Chemietransport- und Chemieklimamodellen zum Einsatz. Diese Simulationen ermöglichen eine global aufgelöste Untersuchung dynamischer und chemischer Prozesse in der Stratosphäre in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft.

Die Modellergebnisse finden unter anderem bei der Validierung neu entwickelter theoretischer Konzepte Verwendung. Mit Hilfe dieser Daten können die Methoden in verschiedenen Bereichen der Atmosphäre getestet und so Rückschlüsse gezogen werden, ob und wie eine Anwendung auf Beobachtungsdaten möglich ist. Beispielsweise wird untersucht, wie sich aus Messungen ozonzerstörender Substanzen (z.B. FCKW und Halone) in der Troposphäre Auswirkungen auf den chemischen Abbau und den Halogengehalt in der Stratosphäre ableiten lassen. Hierbei nutzt man auch sogenannte Altersspektren, die statistische Verteilungen von Transportzeiten stratosphärischer Luft darstellen. Problematisch daran ist, dass diese Spektren zwar im Modell theoretisch berechenbar sind, in der Realität allerdings nicht direkt mit Messungen überprüft werden können. Um dennoch einen Vergleich zu ermöglichen, werden Methoden zur Ableitung von Altersspektren aus Spurengasmessungen entwickelt.

Der zweite Messkanal von GhOST-MS beruht auf der GC/MS Messung; hier muss die Außenluft vor der Messung angereichert werden. Hierzu wird Außenluft über eine gekühlte Probenschleife geleitet, auf der die Spurengase ausgefroren und damit aufkonzentriert werden. Anschließend werden die Substanzen desorbiert, chromatographisch getrennt und im Massenspektrometer quantifiziert. Für eine besonders hohe Empfindlichkeit kann das MS in der chemischen Ionisation (CI) betrieben werden. In der Standardkonfiguration werden auf dem MS Kanal mit einer Zeitauflösung von vier Minuten alle bromierten Quellgase für die Stratosphäre gemessen, sowie einige chlorierte und iodierte. Zusätzlich kann das MS in der Elektronenstoßionisation (EI) betrieben werden. Diese Ionisation führt zu einer höheren Fragmentierung, was die Anzahl messbarer Substanzen erhöht. Neben den bromierten Quellgase können somit auch eine Vielzahl chlorierte Quellgase gemessen werden.

AirCore ist ein innovatives System um stratosphärische Luft zu sammeln, welches an der NOAA in den USA erstmals entwickelt wurde. Die grundlegende Idee hinter AirCore ist, dass man ein langes, aufgewickeltes Rohr, welches auf einer Seite verschlossen und auf einer Seite offen ist, an einem Ballon in die Stratosphäre bis ca. 30 km Höhe bringt. Hierbei wird das Rohr wegen des fallenden Umgebungsdrucks evakuiert. Während des Abstiegs wird das Rohr dann mit stratosphärischer Luft gefüllt. Aufgrund der Länge des Rohres und des laminaren Flusses bei der Füllung wird die Vertikalstruktur größtenteils erhalten; die stratosphärische Luft befindet sich im hinteren (verschlossenen) Teil des AirCores, die troposphärische Luft aus niedrigeren Höhen im vorderen Teil, nahe dem offenen Ende.

Mit der Zeit wird das im Rohr enthaltene Vertikalprofil dann durch molekulare Diffusion vermischt. Wenn man die im AirCore enthaltene Luft allerdings möglichst schnell nach einem Flug misst, kann man das Vertikalprofil rekonstruieren. Für die Analyse verwenden wir ein Picarro G2401 Cavity Ring-Down Spektrometer, welches CO₂, CH₄, CO und Wasserdampf messen kann. Das AirCore System der Universität Frankfurt ist in Engel et al., 2017 im Detail beschrieben. Unser AirCore wiegt mit Elektronik und Schutzhülle ca. 2.5 kg, so dass er auch an kleinen und kostengünstigen Radiosondenballons geflogen werden kann.

Aus den Messungen können wir das mittlere Alter der Luft ableiten, welches uns Informationen über die Zeitskalen für stratosphärischen Transport gibt. AirCore Messungen wurden bereits am meteorologischen Observatorium Lindenberg, in Timmins in Kanada und am geophysikalischen Observatorium Sodankylä in Finnland durchgeführt. Durch regelmäßige AirCore Messungen wollen wir die Langzeitentwicklung des mittleren Alters beobachten, um Änderungen der stratosphärischen Zirkulation zu untersuchen.

Die Luftsammlung erfolgt nach dem Prinzip des whole air sampling, indem die Sammler mit flüssigen Neon auf ca. 27K gekühlt werden, um die einströmende Aussenluft an der Innenseite der Prbenbhälter auszufrieren. Nach dem Auftauen der Proben baut sich in den Behältern ein Überdruck von bis zu 70 bar auf. Die Luftprobensammler werden in Kooperation mit der französischen Weltraumagentur CNES (Centre National d'Études Spatiales) auf Stratosphärenballons geflogen die Höhen bis zu 40 km erreichen können.

Zwei der Sammler wurden am Forschungszentrum Jülich zwischen 1980 und 1985 entwickelt. Diese beiden Sammler (BONBON) haben jeweils 15 Probebehälter mit Volumina von 580, bzw. 350 ml. Im Jahr 2006 wurde an der Universität Frankfurt ein neuer, leichterer Sammler mit 26 Probenbehältern entwickelt, die jeweils ein Volumen von 140 ml haben. Dieser neue Sammler wurde CLAIRE (Cryogenic Lightweight AIRsamlping Experiment) benannt.  Beide Sammlertypen verfügen über innen elektropolierte Edelstahlbehälter, um eine möglichst passive innere Oberfläche und damit eine gute Probenstabilität zu erreichen. Die Einlässe  bestehen aus einem mit einer Glaskappe verschlossenen dünnwandigen Goldrohr. Die Öffnung der Probebehälter erfolgt per Auslösung eines Federstifts durch elektrisches Schmelzen seines Spanndrahtes, der die Glaskappe abschlägt. Das Schließen der Probebehälter erfolgt über die Quetschung des Goldrohres (Kaltschweißen) mittels einer elektrisch gezündeten Sprengkapsel. Hierdurch kann zum einen ein hoher Durchfluss erreicht werden, der auch bei niedrigen Aussendrücken noch eine schnelle Sammlung (Zeitauflösung von wenigen Minuten) ermöglicht, zum anderen kann auf jegliche Art von Kunststoffdichtungen verzichtet werden, was eine Probenkontamination verhindert.