Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4108
Winkler, Ulf
ClO in der arktischen Stratosphäre
179 S., 2004
Am 11. Februar 1997 startete der TRIPLE-Ballon in Kiruna/Nordschweden. Er stieg in die untere
Stratosphäre auf, erreichte eine maximale Höhe von 24,1 km und landete nach einem 2,5-stündigen
Flug in Nordfinnland. Dank günstiger meteorologischer Umstände durchquerte der Ballon den
Randbereich des Polarwirbels. Die Daten des TRIPLE-Flugs zeigen zudem, dass an jenem Tag ein
Wellenereignis stattfand. Der Randbereich des Polarwirbels erweckt das Interesse, da das Phänomen
des Polarwirbels eng mit dem Frühjahrs-Ozonverlust, auch als Ozonloch bekannt, zusammenhängt.
Die Luft im Innern des Polarwirbels wird unter Umständen gezwungen, monatelang unter Polarnacht-
Bedingungen zu verbleiben. Aufgrund der tiefen Temperaturen kommt es zur Bildung reaktiver
chlorhaltiger Verbindungen. Nach Rückkehr des Sonnenlichts im Frühjahr wirkt insbesondere das
Radikal ClO als Katalysator einer massiven Ozonzerstörung. Die Stabilität des Polarwirbels und die
Wirkung des Wirbelrands als Transportbarriere stellen damit entscheidende Faktoren für das Ausmaß
des Ozonabbaus dar.
Auf der Gondel des TRIPLE-Ballons wurden Instrumente zur Messung diverser Moleküle mitgeführt,
darunter das ClO/BrO-Instrument des Forschungszentrums Jülich, eine Ozonsonde der University of
Wyoming und der Kryosammler BONBON der Johann-Wolfgang-von-Goethe-Universität
Frankfurt/Main. Somit gelang die gleichzeitige Beobachtung des Wellenereignisses und dessen
Konsequenz auf die Chemie in den betroffenen Luftmassen. Das gemessene ClO-Profil spielte dabei
die Rolle eines Indikators für die tiefste Temperatur, welche durch das jeweilige Luftpaket während
des Ereignisses erfahren wurde.
Als wahrscheinlichste simultane Erklärung für die beobachteten ClO-, Temperatur- und Druckprofile
wird eine senkrecht zur Erdoberfläche stehende Welle vorgeschlagen. Chemie-Transport-
Modellrechnungen mit Hilfe des Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS)
unterstützen diese Annahme. Eine theoretische Betrachtung zeigt, dass ein solches Ereignis
horizontale Mischungsvorgänge bewirken kann. Tatsächlich lieferte das auf der TRIPLE-Gondel
gemessene Ozonprofil Hinweise, dass es zum Eindringen von ozonreichen Luftmassen aus dem
äußeren Randbereich des Polarwirbels oder sogar von außerhalb des Wirbels kam. Diese Vermutung
konnte mittels der Tracer-Tracer-Methode, unter Verwendung des N2O-Profils des Kryosammlers
BONBON, belegt werden.
Neben den theoretischen Auswertungen und Betrachtungen besitzt diese Arbeit auch einen praktischen
Teil. Das Arbeitsprinzip des ClO/BrO-Instruments, die Chemical Conversion and Resonance
Fluorescence (CCRF) Methode, wird erläutert. Eingegangen wird auf die Kalibration des Instruments
und auf Schwierigkeiten der Messung von BrO mittels der CCRF-Methode. Dargestellt werden zudem
Arbeiten im Rahmen der Entwicklung des Flugzeuginstruments HALOX, einer modifizierten Variante
des Balloninstruments, welches seit Ende des Jahres 2001 auf dem russischen
Höhenforschungsflugzeug "Geophysica" zum Einsatz kommt.
On 11th February, 1997, the TRIPLE balloon was launched in Kiruna, Northern Sweden. It
ascended into the lower stratosphere, reached a maximum altitude of 24.1 km and landed in
Northern Finland after a 2.5-hour flight. Thanks to advantageous meteorological conditions
the balloon passed through the edge region of the polar vortex. Moreover, the data of the
TRIPLE flight show that on that day a wave event occurred. The edge region of the polar
vortex is of interest because the phenomenon of the polar vortex is closely related to the
springtime ozone loss, also known as the ozone hole. Under certain circumstances, the air
inside the vortex is forced to remain under polar night conditions for a period of months. Due
to the low temperatures reactive chlorine compounds are formed. After the return of sunlight
in springtime especially the ClO radical acts as a catalyst of massive ozone depletion. The
stability of the polar vortex and the action of the vortex edge as a transport barrier are decisive
factors for the extent of ozone depletion.
On the gondola of the TRIPLE balloon several instruments were mounted for the
measurement of various molecules, among them the ClO/BrO instrument of Research Centre
Jülich, an ozone sounding device from the University of Wyoming and the BONBON
cryosampler from Johann Wolfgang von Goethe University, Frankfurt am Main.
Consequently it was possible to simultaneously observe the wave event and its consequences
for the chemistry in the air masses in question. The measured ClO profile thus acted as an
indicator of the lowest temperature experienced by the respective air parcel during the event.
As the most probable simultaneous explanation for the observed ClO, temperature and
pressure profiles a wave standing perpendicular to the earth’s surface is suggested. Chemistry
and transport calculations by means of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere
(CLaMS) support this assumption. A theoretical examination shows that such an event can
cause horizontal mixing processes. Indeed, the ozone profile measured on the TRIPLE
gondola provides indications of an intrusion of ozone-rich air masses originating from the
outer vortex edge area or even from outside the polar vortex. This assumption was verified by
the tracer-tracer method utilizing the N2O profile of the BONBON cryosampler .
Besides these theoretical examinations and considerations, this work also contains a practical
part. The working principle of the ClO/BrO instrument, the Chemical Conversion and
Resonance Fluorescence (CCRF) method, is explained. The calibration of the instrument and
difficulties in measuring BrO by the CCRF method are discussed. Moreover, studies are
presented relating to the development of the HALOX aircraft instrument , a modified version
of the balloon instrument which has been operated since the end of 2001 on board the Russian
high-altitude research aircraft "Geophysica".
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