Chemische Trends in der oberen Atmosphäre modelliert mit COMMA/IAP

Zielsetzung

Während des letzten Jahrhunderts wurde durch eine zunehmende Industrialisierung und intensive Agrarwirtschaft eine gewaltige Menge von Spurengasen wie Kohlendioxid, Methan und Stickstoffverbindungen in die Atmosphäre emittiert. In vielfältiger Weise wurde und wird der Einfluss dieser anthropogenen Emissionen auf Klimaänderungen in der Troposphäre diskutiert, allerdings wurde die Wirkung dieser Emissionen auf den Bereich der oberen Atmosphäre (Mesosphäre und untere Thermosphäre, MuT) bisher wenig untersucht.

Zur Untersuchung dieser Fragestellung, wie sich ein anthropogen bedingter Anstieg der Spurengase CO2, CH4 und N2O seit der Vorindustrialisierung (~ 1880)  auf die Chemie der MuT-Region ausgewirkt haben, wurde eine Simulation mit dem COMMA/IAP Modell durchgeführt. Bei dieser Modellstudie gibt es allerdings keine Interaktion zwischen sich ändernden Spurengasen und dem dynamisch-thermischen Zustand der Atmosphäre. Das Chemie-Modul läuft in einer CTM-Version und lädt für jedes Simulationsjahr eine identische dynamisch-thermisch Jahresklimatologie (global in 1 h Auflösung) aus COMMA/IAP. Die Abbildung zeigt die zeitliche Entwicklung des mesophärischen Wasserdampfs über die vergangenen 120 Jahre hinweg für verschieden Höhenbereiche (50, 60, 70, 80, 83, 86 und 89 km)  unter Sommerbedingungen (1. Juli). Ein Einfluss des 11-jährigen Sonnenzyklus (Lyman-alpha Strahlung) wirkt erst oberhalb von 80 km, generell sind die Wasserdampfkonzentrationen bei 70 km höher als bei 60 km aufgrund einer autokatalytischen Wasserdampfproduktion.

Der Anstieg des mesosphärischen Wasserdampfs aufgrund des Methananstiegs über das vergangene Jahrhundert hinweg könnte ein Argument dafür sein, dass sich die Auftrittshäufigkeit der ´leuchtenden Nachtwolken’, die in der sommerlichen Mesopausenregion über hohen Breiten zu beobachten sind, erhöht hat. Man kann weiterhin vermuten, dass sich gleichzeitig der thermische Zustand der Mesosphäre abkühlen sollte: Neben dem  Kohlendioxidanstieg, der eine Abkühlung bewirkt, verringert sich auch der Anteil des mesosphärischen Ozons aufgrund steigender Wasserstoffradikale, so dass weniger solare Strahlung in den Ozonbanden absorbiert wird und somit die mesosphärische Abkühlung verstärken sollte. Allerdings lässt sich der Einfluss einer sich damit zwangsweise verändernden Dynamik der MuT-Region bis heute nicht quantifizieren, so dass die Frage, ob solche reine strahlungs-chemische Plausibilitätsbetrachtungen gültig sind, als weiterhin offen gilt. Letztendlich bleibt festzustellen, dass noch kein klares Beobachtungsfaktum für eine abkühlende Klimaänderung in der polaren Sommermesopausenregion vorliegt. 

Beispiel

Wasserdampftrend bei 67.5° N für verschiedene Höhen zum 1. Juli.