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Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit werden die chemischen und dynamischen Beiträge zur Ozonverteilung in der Troposphäre über dem tropischen Ozean untersucht mit dem Ziel, Ozon als quantitativen Tracer für den Einfluss von hochreichender Konvektion (Cumulonimbus Konvektion) auf die Vertikalverteilung der Feuchte zu verwenden. Grundlage der Untersuchung bilden Vertikalsondierungen von Ozon und relativer Feuchte die während zwei Fahrten des Forschungsschiffes "Polarstern" im März/April 1987 und im September/Oktober 1988 auf dem Atlantik zwischen 36 Grad Sud and 52 Grad Nord, entlang des 30 Grad West Meridian durchgeführt wurden. Zur Vebesserung der Genauigkeit der Ozon- und Feuchtedaten, insbesondere in der mittleren und oberen Troposphäre, werden Korrekturverfahren für die Auswertung der Sondierungsdaten entwickelt.

Um den Einfluss von Photochemie und Dynamik auf die beobachteten Raum-Zeit Strukturen in der Meridionalverteilung von Ozon abzuschätzen, wurden zunächst die chemischen Tendenzen in den verschiedenen Höhenbereichen und bei verschiedenen geographischen Breiten mit einem photochemisches Boxmodell berechnet. Diese wurden dann mit den charakteristischen Zeitskalen für die Advektion und den Vertikaltransport im tropischen Ast der Hadley Zirkulation verglichen. Wegen der hohen Wasserdampfkonzentrationen, der hohen UV-Flussdichte und der niedrigen Stickoxidkonzentrationen (< 10ppt) ist die tropische marine Grenzschicht (MBL=Marine Boundary Layer) eine starke Senke für Ozon mit Lebensdauern von 5-7 Tagen. Das erklärt die beobachteten, sehr niedrigen Ozonmischungsverhältnisse in der tropischen MBL. Wegen der sehr viel niedrigeren Wasserdampfkonzentrationen, der niedrigeren Temperaturen und der Abwesenheit signifikanter NO-Quellen ist die chemische Tendenz von Ozon in der freien Troposphäre über den Ozeanen klein im Vergleich zu Änderungen durch Vertikalaustausch (Konvektion und großräumiges Absinken). Die während beider Kampagnen beobachtete Morphologie von Ozon ist deshalb weitgehend durch dynamische Prozesse bestimmt und Ozone kann in guter Näherung als quasi passiver Tracer verwendet werden, um die Wirkung von Transportprozessen auf die Verteilung von Wasserdampf zu beschreiben.

Das Vorhandensein hochreichender Konvektion in der oberen tropischen Troposphäre manifestiert sich durch niedrige Ozonmischungsverhältnisse. Ozon abgereicherte Luft aus der MBL wird in Cumulonimben (sogenannten "hot towers") in die obere Troposphäre verfrachtet und verdrängt dort Luft mit höheren Ozonmischungsverhältnissen. Die während der 1988 Fahrt im Äquatorialen Trog beobachtete Ozonverteilung zeigt die Morphologie der konvektiven mittleren und oberen Troposphäre. Die 40 ppb Isoplete umgrenzt die Struktur einer mesoskaligen Konvektionszelle (MCC), welche aus einem Cluster individueller konvektiver Zellen besteht. Die MCC lässt sich grob in drei Zonen unterteilen: (i) die untere Konvergenzzone (0 < z < 3 km), in der niedriges Ozon (20-25 ppbv) und hohe Feuchte durch den Passatwind einfließt, (ii) die obere Konvergenzzone (3 < z < 7 km), in der trockene Luft mit höheren Ozonmischungsverhältnissen (60-70 ppbv) in die konvektive Zelle eingemischt wird. Die erhöhten Ozonwerte zeigen, daß der schnelle vertikale Transport aus der unteren Konvergenzzone praktisch diesen mittlern Teil der Troposphäre überbrückt. (iii) die Divergenzzone (7 < z < 14 km). Die Ozonmischungsverhältnisse in diesem Teil sind niedriger (30-40 ppbv) als in der nicht durch Konvektion beinflussten oberen Troposphäre, jedoch signifikant höher als die Werte in der unteren Konvergenzzone, woraus sich auf den Eintrag von Luft aus der mittleren Troposphäre schliessen läßt.

Die Austauschzeit eines Luftpakets in der unteren Konvergenzzone wurde aus den Massenbilanzen für Luft und Ozon in den drei Zonen zu 2-3 Tagen abgeschätzt. Der Eintrag von Luft aus der mittleren Troposphäre ist vergleichbar zum vertikalen Fluss aus der unteren Konvergenzzone. Dies impliziert einen substantiellen mesoskaligen Eintrag von trockener, ozonreicher Luft mit niedriger feucht-statischer Energie, höchstwahrscheinlich aus den Subtropen. Der Eintrag dieser Luftmassen in die konvektiven Zellen führt zu einer signifikanten Erniedrigung des Auftriebs und hat damit einen erheblichen Einfluss auf die Höhe der Konvektion.

Interessant sind weiterhin trockene Filamente mit hohen Ozonwerten und niedriger feucht-statischer Energie in der mittleren und unteren Troposphäre zwischen 2 und 6 km Höhe. Diese Filamente befinden sich im Strahlungsgleichgewicht und können über weite Strecken transportiert werden. Sie stammen wahrscheinlich aus den Subtropen oder sogar aus mittleren Breiten. Dieses könnte durch eine Kopplung der meridionalen tropischen Zirkulation mit Eindringen der trockener und ozonreichen Luft auftreten, verursacht durch dem Brechen von Rossby Wellen als Teil der Lebenszyklus von barokliner Wellen in mittleren Breiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die hochreichende Konvektion in den Tropen Luft aus der mittleren Troposphäre von mittleren Breiten in die obere Troposphäre pumpt. Diese Advektion von Luft mit niedriger feucht-statischer Energie wirkt als negative Rückkopplung und reguliert somit die hochreichende Konvektion in den Tropen.

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis the chemical and dynamical aspects governing the tropospheric ozone distribution in the marine tropics are investigated and characterized in order to use ozone as a quantitative proxy to study deep convection in relation to the vertical distribution of humidity. The investigations make use of combined vertical ozone and humidity balloon soundings made from board of the research vessel RV "Polarstern"during two cruises on the Central Atlantic Ocean between 36 degrees South and 52 degrees North, mostly along the 30 degrees West meridian in March/April 1987 and September/October 1988.. In order to achieve the high accuracy required for ozone and humidity measurements in the middle and upper troposphere, special correctional methods for data processing are developed.

To understand whether the observed features in the meridional ozone distributions are caused by photochemistry or dynamics local photochemical changes of ozone are estimated as a function of latitude and altitude through the use of a photochemical box model and compared with the characteristic time scales of horizontal and vertical transport of the tropical Hadley circulation. In the tropical marine boundary layer (MBL), high water vapor content, high UV-flux and low (<10 pptv) mixing ratios of NOX act together to cause significant photochemical ozone destruction. A net chemical ozone life times of less than 5-7 days provides an effective ozone loss mechanism thus causing low ozone values in the MBL. In the free troposphere, due to a low water vapor concentrations, low temperature and the absence of significant sources of NO, the in-situ photochemistry in the free troposphere is too slow compared to tropical motion systems involving deep convection and large scale subsidence. Therefore, the morphology of ozone as observed during both cruises was governed by dynamics. As a consequence ozone can be used a quasi-conservative tracer for the description of transport in the context of deep convection and large scale subsidence.

Active or recent deep convection marks its appearance in the upper tropical troposphere by relatively low ozone mixing ratios whereby inside of cumulonimbus convective clouds, so called "hot towers", ozone deficient surface air is lifted to the upper troposphere where it detrains and displaces air with higher mixing ratios. The ozone distribution observed in the equatorial trough region during the 1988 cruise maps the morphology of the deep convective middle/upper troposphere such that approximately the 40 ppbv ozone mixing ratio contour line, which envelopes the spatial extension of a mesoscale convective cell (MCC) and consisting of a cluster of individual deep convective cells, can be used to define the convective cell. The MCC consists of three compartments: (i) The lower convergence zone (0 < Z < 3 km) comprises the regime of convergence of the trade wind inflow with low MBL ozone (20-25 ppbv) and high humidities (ii) An upper convergence zone (3 < Z < 7 km) describing the entrainment (confluence) of dry mid tropospheric air with enhanced ozone mixing ratios (60-70 ppbv) into the deep convective cell. The enhanced ozone values show that the fast vertical transport from the lower convergence zone virtually bypasses this middle part of the troposphere. (iii) The divergence zone (7 < Z < 14 km), also referred to as the detrainment part. The ozone mixing ratios in that part (30-40 ppbv) are low, but significantly higher compared to the respective values in the low level convergence part, which implies the strength of entrainment.

From the air and ozone mass balances over the three compartments inside the MCC the turn over time of an air parcel in the lower convergence part is estimated to be about 2-3 days. The entrainment flow of mid-troposheric air is large compared to the upward flow from the low level convergence in the trade wind regime. As a consequence, this implies a substantial large scale inflow from regions with enhanced ozone mixing ratios and low moist static energy content, presumably from the subtropics. Entrainment of these amounts of dry, low moist static energy air in the updrafts of the mesocale cluster of deep convective cells will substantially decrease the moist static energy and, and thus buoyancy, of the lifted air thus producing a significant influence on the rising and penetrating power of the deep convection.

An intriguing aspect is given by the existence of dry air tongues with enhanced ozone mixing ratios and low moist static energy in the lower/middle troposphere between 2 and 6 km altitude, most pronounced at the edge of the MCC. These filaments of dry, ozone rich air are radiatively stable and can be transported over long distance. They presumably have their origin at higher latitudes in the subtropics or even in the midlatitudes. This could occur through a coupling of the meridional circulation in the tropics with intrusions of dry and ozone rich air originating from breaking Rossby waves associated with the life cycle of baroclinic waves at mid latitudes. The results presented in this work suggest that deep convection "pumps" mid-/upper- tropospheric air from the subtropics and thus indicate a linkage between tropical and extra-tropical dynamics. If this is so, then, a negative feedback to deep convection seems to operate in the sense that advection and entrainment of dry air with low moist static energy acts like a controlling valve which regulates the deep convection.

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