Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4248
Hrechanyy, Serhiy
In-Situ BrO Measurements in the Upper Troposphere / Lower Stratosphere: Validation of the ENVISAT Satellite Measurements and Photochemical Model Studies
152 S., 2007
Anorganische Bromspezies sind die zweitwichtigste Halogenfamilie in der
Chemie der stratosphärischen Ozonzerstörung. Das Mischungsverhältnis der
Bromspezies liegt etwa zwei Größenordnungen unter dem der Chlorspezies,
aber Brom weist ein deutlich höheres Ozonzerstörungspotential (Faktor von
ca. 45) auf als Chlor.
In dieser Arbeit werden atmosphärische Messungen von Brommonoxid,
BrO, im Höhenbereich 15-30 km präsentiert und diskutiert. Die Messungen
wurden durchgeführt mit dem Ballon-getragenen TRIPLE- und dem
Flugzeug-getragenen HALOX-Instrument des Forschungszentrums Jülich, basierend
auf der Chemischen-Konversions-Resonanz-Fluoreszenz-Methode, der
einzigen etablierten In-Situ-Messtechnik für BrO. Es wurden 57 HALOXFl
üge aus fünf Messkampagnen von arktischen bis tropischen Breiten und drei
TRIPLE-Messflüge im Rahmen der SCIAMACHY(SCanning Imaging Absorption
spectroMeter for Atmospheric CHartographY)-Validierung durchgef
ührt. Die Ballonmessungen ergeben vertikale Profile von BrO im Höhenbereich
15-30 km bei mittleren nördlichen und arktischen Breiten. Aus
den Flugzeugmessungen wurde ein gemitteltes vertikales BrO-Profil in den
Tropen und meridionale BrO-Verteilungen für den Höhenbereich 15-20 km
abgeleitet.
Im Rahmen der SCIAMACHY-Validierung wurden die TRIPLE-Profile
anhand des Jülicher CLaMS(Chemisch Lagrangesches Modell der Stratosph
äre)-Modells photochemisch korrigiert um den Tagesgang der BrO-Mischungsverh
ältnisse zu berücksichtigen und die Profile auf die photochemischen
Bedingungen der zu vergleichenden SCIAMACHY-Messungen zu konvertieren.
Der Vergleich ergibt systematisch höhere Mischungsverhältnisse
der Satellitenmessung am Rande der experimentellen Fehlergrenzen beider
Messungen. Entsprechende Verbesserungen in den SCIAMACHY Retrievaliii
Verfahren sind zur Zeit im Gang.
Um die im CLaMS-Modell implementierte Brom-Chemie zu überprüfen
wurde das BrO-Profil der TRIPLE-Messung vom 9. Juni 2003 unter arktischen
Frühlings-/Sommerbedingungen verglichen mit simulierten Profilen.
Die Simulationen wurden hierzu mit unabhängigen Ballon- und Satellitenmessungen
und einem Brom-Gesamtmischungsverhältnis von 18.4 pptv initialisiert.
Hier wurde eine sehr gute übereinstimmung der TRIPLE-Messung
und des Simulationsergebnisses festgestellt, was auf eine gute Repräsentation
der stratosphärischen Brom-Chemie im Modell hindeutet oder umgekehrt formuliert:
Die TRIPLE-Messung ist mit der gegenwärtig akzeptierten Brom-
Chemie kompatibel.
Messungen von BrO in der tropischen Tropopausenregion (TTL) eignen
sich zur Untersuchung des Beitrages von sehr kurzlebigen Bromspezies (VSLS)
zum anorganischen Brom, Bry. Da die tropischen HALOX-Profile aus den
TROCCINOX- und SCOUT-O3-Messkampagnen im Höhenbereich 15-20 km
an der unteren Grenze vergleichbarer DOAS-Messungen liegen wurde eine
CLaMS-Modellstudie zur Freisetzung von Bry aus den Quellgasen durchgef
ührt. Hierzu wurde ein Trajektorienensemble, das im Zeitraum 6 bis zu mehr
als 90 Tagen von der unteren Troposphäre in die TTL transportiert wurde,
mit in der Grenzschicht beobachteten Mischungsverhältnissen aller wichtigen
Brom-Quellgase initialisiert und die Freisetzung von Bry durch chemische
und photochemische Reaktionen wurde simuliert. Bromoform, CHBr3,
war die Hauptquelle für Bry in der TTL. Die abgeleitete troposphärische
Lebensdauer von Bromoform ist etwa 33 Tage. Das modellierte maximale
BrO-Mischungsverhältnis an der Tropopause ist 2.5 pptv. Dies ist konsistent
mit den HALOX-Messungen, die dort keine signifikanten Mengen (<1-
2 pptv) von BrO nachweisen. Messungen von mehr als 4 pptv (wie aus
SCIAMACHY-Messungen abgeleitet) können somit nur durch andere nicht
modellierte Prozesse, wie sehr schnellen Aufstieg von Luftmassen aus starken
Bromoform-Quellgebieten oder Injektion von anorganischen Bromverbindungen
auf verdampfenden Partikeln, erklärt werden.
Inorganic bromine species form the second most important halogen family
affecting stratospheric ozone (WMO, 2003). Although the stratospheric
bromine mixing ratio is about two orders of magnitude lower than the chlorine
one, bromine has much higher ozone depleting potential (factor of about
45) compared to chlorine.
This study reports and discusses atmospheric bromine monoxide, BrO,
measurements in the altitude range 15-30 km performed by the balloon-borne
instrument TRIPLE and aircraft instrument HALOX employing the chemical
conversion resonance fluorescence technique, which is the only proven
in-situ technique for the measurements of BrO. 57 HALOX flights have
been performed in the frame of five field campaigns ranging from the Arctic
to tropics. Three TRIPLE flights were carried out at high and mid latitudes
in the frame of the SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter
for Atmospheric CHartographY) validation. Calibration, consistency
checks, data analysis, and error assessment for the in-situ measurements are
described. The balloon measurements have yielded vertical profiles of BrO
between 15 and 30 km altitude at northern mid- and at arctic latitudes. From
the aircraft measurements a meridional BrO distribution from tropical to the
arctic latitudes between 15 and 20 km altitude was obtained.
For the SCIAMACHY validation the TRIPLE BrO profiles have been
photochemically corrected by means of the Jülich CLaMS (Chemical Lagrangian
Model of the Stratosphere) model in order to reflect the diurnal
variation of BrO and adjust the profiles to the photochemical conditions
of the corresponding SCIAMACHY measurements. Hereby appropriate
SCIAMACHY profiles have been found to be systematically higher than
the TRIPLE profiles but mostly within the bounds of the accuracies of both
techniques. Improvements in the satelite retrieval procedures are ongoing.
In order to check the reliability of the bromine chemistry in the CLaMS
model the BrO profile measured by TRIPLE on June 9, 2003 in Arctic
spring/summer conditions was compared to a simulated BrO profile. For the
simulation the model was initialized with appropriate satellite and balloon
measurements and with a total stratospheric bromine of 18.4 pptv. Very
good agreement between the TRIPLE measurements and model results was
found indicating that the model captures stratospheric bromine chemistry
quite well or put the other way the TRIPLE measurement is compatible
with currently accepted bromine chemistry.
Measurements of BrO in the tropical tropopause layer (TTL) are well
suited to investigate the contribution of very short-lived bromine species
(VSLS) to the inorganic bromine, Bry. Since tropical HALOX BrO measurements
from TROCCINOX and SCOUT-O3 in the 15-20 km altitude regime
are at the low side of comparable DOAS measurements a CLaMS study of
the evolution of Bry from the source gases has been carried out. For this
purpose an ensemble of trajectories rising from the lower troposphere to the
TTL within 6 to more than 90 days were initialized with observed mixing
ratios in the boundary layer of all important organic bromine source gases
and the free-up of Bry by chemical and photochemical reactions was simulated.
Bromoform, CHBr3, was found to be the main source of inorganic
bromine at the tropopause. The derived tropospheric lifetime of bromoform
is 33 days. The modelled BrO mixing ratio at the tropopause (less than 2.5
pptv) is consistent with HALOX measurements which do not detect significant
amounts of BrO there (<1-2 pptv). Therefore measurements of more
than 4 pptv (as retrieved from SCIAMACHY) can only be explained trough
processes not included in the model, i.e. very fast ascent of air masses from
strong bromoform source regions or by injection of inorganic bromine on
evaporating particles.
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