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Einfluss von Rußpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, Eigenschaften, Lebenszyklen und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren
Einfluss von Rußpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, Eigenschaften, Lebenszyklen und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren
Die Luftfahrt trägt mit etwa 5 % zur gesamten anthropogenen Klimaerwärmung bei. Mit einer jährlich geschätzten Zunahme des Flugverkehrs um etwa 5 % nimmt die Klimawirkung durch diesen Verkehrssektor kontinuierlich zu. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil am Strahlungsantrieb durch den Luftverkehr aus. Eine mögliche Mitigationsmaßnahme ist der Einsatz von alternativen Treibstoffen, wodurch Flugzeug-Rußpartikelemissionen und damit die anfängliche Eiskristallanzahl von Kondensstreifen reduziert werden sollen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von reduzierten Rußpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, die Lebenszyklen, Eigenschaften und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren innerhalb des globalen Klimamodells ECHAM5 untersucht. Eine bisherige Studie in ECHAM5 hat ergeben, dass eine 80 %-ige Reduktion der anfänglichen Eiskristallanzahl von Kondensstreifen den Strahlungsantrieb von Kondensstreifenzirren um die Hälfte vermindern kann. Die einzelnen Prozesse hinter dieser Verringerung sind aber bisher noch nicht in hinreichendem Maß verstanden. Daher wurden in dieser Arbeit Lebenszyklen von Kondensstreifenzirren über dem Osten der USA in Abhängigkeit von verschiedenen synoptischen Situationen betrachtet. Es wurde dabei untersucht, wie sich mikrophysikalische und dynamische Prozesse auf die Eigenschaften und Strahlungswirkung von Kondensstreifenzirren auswirken und wie diese durch eine Reduktion der anfänglichen Eiskristallanzahl modifiziert werden. Mikrophysikalische Prozesse spielen in langlebigen und großräumig eisübersättigten Gebieten eine wichtige Rolle. Kondensstreifenzirren sind in solchen Situationen häufig langlebig und klimarelevant, indem sie einem hohen Bedeckungsgrad oder optische Dicke einnehmen. In diesen synoptischen Fällen ist der Effekt der reduzierten anfänglichen Eiskristallanzahl am stärksten: Der Eiskristallverlust durch Sedimentation erhöht sich am Ende der Lebenszyklen um bis zu 15 %. Das Volumen und die totale Extinktion als Maß für die kurzwellige Strahlungswirkung von Kondensstreifenzirren werden im Vergleich zu anderen Situationen erheblich reduziert. Die Untersuchung mehrerer Lebenszyklen innerhalb von 2 Jahren hat ergeben, dass solche Situationen in etwa 25 % der betrachteten Fälle auftreten. In früheren Studien wurden Kondensstreifen mit einer festen, anfänglichen Eiskristallanzahl initialisiert. Daher wurde eine Parametrisierung der anfänglichen Eiskristallanzahl, die hauptsächlich von den Rußpartikelemissionen und dem Atmosphärenzustand abhängt, in das Klimamodell integriert und damit globale Simulationen durchgeführt. Die anfängliche Eiskristallanzahl von Kondensstreifen wird deutlich reduziert, wenn Kondensstreifen nahe an ihrem Bildungskriterium entstehen, da nur ein bestimmter Anteil der vom Flugzeug emittierten Rußpartikel Eiskristalle formen kann. Dieser Effekt wird aufgrund von höheren Umgebungstemperaturen hauptsächlich in den Tropen ersichtlich. Die Berücksichtigung der Parametrisierung zeigt in solchen Situationen große Auswirkungen auf die Eigenschaften der Kondensstreifenzirren. Mit der integrierten Parametrisierung der anfänglichen Eiskristallanzahl wurde der Einfluss von um 80 % reduzierten Rußpartikelemissionen auf globale Eigenschaften und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren untersucht. Der Bedeckungsgrad von mit Satelliten detektierbaren Kondensstreifenzirren wird im globalen Mittel um 75 % und der Netto-Strahlungsantrieb von allen Kondensstreifenzirren um 57 % vermindert. Damit entfaltet der Einsatz von alternativen Treibstoffen ein hohes Mitigationspotenzial in Bezug auf die Klimawirkung von Kondensstreifenzirren, wenn die Rußpartikelemissionen deutlich reduziert werden.
Kondensstreifen, Rußemissionen, ECHAM, Synoptik, Lebenszyklen, Strahlungswirkung
Bier, Andreas
2018
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bier, Andreas (2018): Einfluss von Rußpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, Eigenschaften, Lebenszyklen und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Luftfahrt trägt mit etwa 5 % zur gesamten anthropogenen Klimaerwärmung bei. Mit einer jährlich geschätzten Zunahme des Flugverkehrs um etwa 5 % nimmt die Klimawirkung durch diesen Verkehrssektor kontinuierlich zu. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil am Strahlungsantrieb durch den Luftverkehr aus. Eine mögliche Mitigationsmaßnahme ist der Einsatz von alternativen Treibstoffen, wodurch Flugzeug-Rußpartikelemissionen und damit die anfängliche Eiskristallanzahl von Kondensstreifen reduziert werden sollen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von reduzierten Rußpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, die Lebenszyklen, Eigenschaften und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren innerhalb des globalen Klimamodells ECHAM5 untersucht. Eine bisherige Studie in ECHAM5 hat ergeben, dass eine 80 %-ige Reduktion der anfänglichen Eiskristallanzahl von Kondensstreifen den Strahlungsantrieb von Kondensstreifenzirren um die Hälfte vermindern kann. Die einzelnen Prozesse hinter dieser Verringerung sind aber bisher noch nicht in hinreichendem Maß verstanden. Daher wurden in dieser Arbeit Lebenszyklen von Kondensstreifenzirren über dem Osten der USA in Abhängigkeit von verschiedenen synoptischen Situationen betrachtet. Es wurde dabei untersucht, wie sich mikrophysikalische und dynamische Prozesse auf die Eigenschaften und Strahlungswirkung von Kondensstreifenzirren auswirken und wie diese durch eine Reduktion der anfänglichen Eiskristallanzahl modifiziert werden. Mikrophysikalische Prozesse spielen in langlebigen und großräumig eisübersättigten Gebieten eine wichtige Rolle. Kondensstreifenzirren sind in solchen Situationen häufig langlebig und klimarelevant, indem sie einem hohen Bedeckungsgrad oder optische Dicke einnehmen. In diesen synoptischen Fällen ist der Effekt der reduzierten anfänglichen Eiskristallanzahl am stärksten: Der Eiskristallverlust durch Sedimentation erhöht sich am Ende der Lebenszyklen um bis zu 15 %. Das Volumen und die totale Extinktion als Maß für die kurzwellige Strahlungswirkung von Kondensstreifenzirren werden im Vergleich zu anderen Situationen erheblich reduziert. Die Untersuchung mehrerer Lebenszyklen innerhalb von 2 Jahren hat ergeben, dass solche Situationen in etwa 25 % der betrachteten Fälle auftreten. In früheren Studien wurden Kondensstreifen mit einer festen, anfänglichen Eiskristallanzahl initialisiert. Daher wurde eine Parametrisierung der anfänglichen Eiskristallanzahl, die hauptsächlich von den Rußpartikelemissionen und dem Atmosphärenzustand abhängt, in das Klimamodell integriert und damit globale Simulationen durchgeführt. Die anfängliche Eiskristallanzahl von Kondensstreifen wird deutlich reduziert, wenn Kondensstreifen nahe an ihrem Bildungskriterium entstehen, da nur ein bestimmter Anteil der vom Flugzeug emittierten Rußpartikel Eiskristalle formen kann. Dieser Effekt wird aufgrund von höheren Umgebungstemperaturen hauptsächlich in den Tropen ersichtlich. Die Berücksichtigung der Parametrisierung zeigt in solchen Situationen große Auswirkungen auf die Eigenschaften der Kondensstreifenzirren. Mit der integrierten Parametrisierung der anfänglichen Eiskristallanzahl wurde der Einfluss von um 80 % reduzierten Rußpartikelemissionen auf globale Eigenschaften und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren untersucht. Der Bedeckungsgrad von mit Satelliten detektierbaren Kondensstreifenzirren wird im globalen Mittel um 75 % und der Netto-Strahlungsantrieb von allen Kondensstreifenzirren um 57 % vermindert. Damit entfaltet der Einsatz von alternativen Treibstoffen ein hohes Mitigationspotenzial in Bezug auf die Klimawirkung von Kondensstreifenzirren, wenn die Rußpartikelemissionen deutlich reduziert werden.