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Abstract (German)

Eine mögliche Erholung der polaren stratosphärischen Ozonschicht wurde bereits mit Klimachemiemodellen (CCM) untersucht. Bei fallenden Konzentrationen ozonzerstörender Substanzen (ODS) wird eine Erholung der antarktischen Ozonsäule zu Werten, die vor 1980 beobachtet wurden, um 2050 erwartet, für die Arktis wesentlich eher. Der hemisphärische Unterschied kann auf den allgemein wärmeren und gestörteren Nordpolarwirbel zurückgeführt werden. Unklar ist jedoch, ob Klimaänderungen zu einer Nettoabkühlung oder -erwärmung des arktischen Polarwirbels führen, und damit, wie ansteigende Treibhausgaskonzentrationen die Ozonschicht beeinflussen. Diese ist eng verknüpft mit der Stratosphärentemperatur und der Bildung polarer Stratosphärenwolken.

Einerseits wird eine Erwärmung des Nordpolarwirbels durch erhöhte Aktivität von planetaren als auch von Schwerewellen vorausgesagt. Diese Wellen werden durch troposphärische Meteorologie angeregt, welche selbst unter dem Einfluss gegenwärtiger Klimaänderungen stehen, wie zum Beispiel Änderungen der regionalen Temperaturverteilung. Andererseits führt derselbe Treibhauseffekt, der die Troposphäre wärmt, zu niedrigeren Temperaturen in höheren Atmosphärenschichten. Dort hängt die Wolkenbildung kritisch von Schwelltemperaturen ab und damit die Aktivierung ozonzerstörender Substanzen auf Wolkenteilchen.

Erschwert wird die Vorhersage des arktischen polaren Ozons in Klimamodellen durch komplexe Interaktionen von Klimaänderung, Stratosphärentemperatur und Ozonverlust. In dieser Arbeit werden anhand eines mehrjährigen CCM Zeitscheibenexperiments unter Randbedingungen für das Jahr 2015 Fehleranfälligkeit, Analysemethoden und Verbesserungen für die Untersuchung zukünftigen polaren Ozonverlusts vorgestellt. Hierzu wird das Chemietransportmodell CLaMS zusammen mit der Tracer-Tracer-Korrelationsmethode benutzt. Dynamische Änderungen an der Ozonsäule 2015 werden von chemischen Änderungen isoliert. Gegenüber dem CCM aktualisierte Werte für die minimale arktische Frühjahrsozonsäule und neue Werte für den maximalen Ozonverlust unter 2015 Bedingungen werden berechnet. Empfehlungen werden gegeben zur Verifizierung der Ozonverlustchemie und der Berechnung von Ozonverlust bei der nachträglichen Analyse bereits durchgeführter CCM Simulationen.

CLaMS Simulationen zeigen, dass um 2015 der nordhemispharische Ozonverlust ähnlich stark sein kann wie er in mittelkalten Wintern der 90er Jahre beobachtet und simuliert wurde: auf km Höhe werden im Wirbel bis zu ppm chemischer Ozonverlust vorhergesagt. Ein chemischer Säulenozonverlust von Dobson Einheiten (DU) wird festgestellt, während korrespondierende CCM Ergebnisse nur etwa dieses Verlusts zeigen. Die anscheinende Erholung des arktischen Ozons im CCM wird auf dynamische Änderungen zurückgeführt, nicht auf den Rückgang der stratosphärischen Chlorbeladung. Als neue Vorhersage für die minimale arktische Frühjahrsozonsäule wird DU berechnet wohingegen das CCM alleine DU berechnete; innerhalb der nächsten Dekade gibt es anhand dieser Berechnungen keinen Anhaltspunkt für eine Erholung des arktischen Ozons.

Abstract (English)

Possible recovery of the polar stratospheric ozone layer has previously been assessed with a variety of chemistry climate models (CCMs). With a decreasing load of ozone-depleting substances (ODS), a recovery of Antarctic ozone columns to pre-1980 conditions is expected somewhere around 2050, while Arctic ozone is predicted to recover much earlier. This hemispheric difference is due to the generally warmer and more disturbed North Polar winter vortex. It is unclear, however, whether the net effect of Climate Change leads to a cooling or warming of the Arctic winter polar vortex. It is uncertain, how increasing amounts of greenhouse gases affect the evolution of the ozone layer, which is tightly coupled to the prevailing stratospheric temperature through the formation of polar stratospheric clouds.

On the one hand, the North Polar stratosphere is projected to warm due to additional energy dissipated by planetary and gravity waves. These waves are triggered by tropospheric meteorology, which may be influenced by ongoing climatic changes, for example, regional changes in surface temperatures. On the other hand, the radiative effect of most greenhouse gases which leads to a warmer troposphere cools higher atmospheric layers. Cloud formation depends critically on threshold temperatures, and activation of ODS depends on the availability of surfaces provided by cloud particles.

The prediction of Arctic polar ozone with climate models is difficult given the complex interactions of climate change, stratospheric temperature and ozone depletion. In this thesis, based on a multi-annual CCM time slice experiment with year 2015 boundary conditions, deficiencies, analysis methods and improvements for the assessment of future polar ozone loss are examined. The chemistry transport model CLaMS is employed in combination with the tracer-tracer correlation technique. Dynamical changes to the 2015 ozone column are isolated from chemical changes. Updates to CCM results for springtime Arctic minimum ozone columns and new results for maximum ozone loss columns for 2015 conditions are presented. Recommendations for verification of ozone loss chemistry and the calculation of chemical ozone loss are provided for post-analysis of already performed CCM simulations.

CLaMS simulations show that around 2015 northern hemispheric ozone depletion may be as severe as observed and modelled in medium to cold 1990s winters: at km altitude, up to ppm chemical ozone loss is predicted in the polar vortex. Chemical column ozone depletion of Dobson units (DU) is found, while corresponding CCM results show less than of this loss. The apparent recovery of Arctic ozone in the CCM is attributed to dynamical changes rather than decreased stratospheric halogen loading. The new prediction for the 2015 springtime minimal ozone column is DU as opposed to DU found by the CCM alone; from this analysis, there is no indication for Arctic ozone recovery within the next decade.

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