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Gruppe „Atmosphärenchemie“ am IMK-ASF Who does when what, how and why?

Andreas Zahn. Josef Weppner. Detlev Sprung. Christoph Dyroff. Gruppe „Atmosphärenchemie“ am IMK-ASF Who does when what, how and why?. Wissenschaftliches Interesse. Spurengasbudgets der (oberen) Troposphäre / unteren Stratosphäre (OTUS)

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Gruppe „Atmosphärenchemie“ am IMK-ASF Who does when what, how and why?

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Presentation Transcript

  1. Andreas Zahn Josef Weppner Detlev Sprung Christoph Dyroff Gruppe „Atmosphärenchemie“ am IMK-ASFWho does when what, how and why?

  2. Wissenschaftliches Interesse Spurengasbudgets der (oberen) Troposphäre / unteren Stratosphäre (OTUS) momentan von Ozon, Wasserdampf (Wolken), organischen Verbindungen • Quantifizierung von Transport (hochreichende Konvektion, zyklonischer Aufwärtstransport, Stratosphäre-Troposphärenaustausch) und chemischerProzessierung (chemische Bildung/Abbau) • Hydrologischer Kreislauf der Atmosphäre • Oxidationskapazität der OTUS • In-situ Messungen der Spurengase an Bord von Flugzeugen • Weiterentwicklung von Messtechniken, Entwicklung von Messgeräten

  3. PT4 Einbindung in PoF (Programm orientierte Förderung) PT4: Stratosphäre und Tropopausenregion im globalen Wandel UTLS

  4. PT4: Stratosphäre und Tropopausenregion im globalen Wandel Tropical TransitionLayer TTL UTLS

  5. Civil Aircraft for Regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container C A R I B I C • Luftfrachtcontainer gefüllt mit wissenschaftlichen Instrumenten, eingebaut für einzelne Messflüge • 1 – 2 Messflüge pro Monat (24 – 48 Flugstunden, 7.000 - 14.000 €) • 11 beteiligte europäische Institute (Koordination: MPI-C, Mainz) • MPI für Chemie, Mainz • IMK, Karlsruhe • IFT, Leipzig • DLR, Oberpfaffenhofen • GKSS, Geesthacht • Universität Heidelberg • UEA, Norwich, UK • University Lund, Sweden • KNMI, de Bilt, The Netherlands • CEA/CNRS, Paris, France • Universität Bern, Schweiz

  6. CARIBIC – Historie Juni 1990 Erste Vorschläge: „Stratosphärische O3-Messungen an Bord von Airbus- Maschinen der Deutschen Lufthansa AG“ Ende 1993 Bereitschaft von LTU zur Mitnahme eines Messgeräte-Containers auf einer Boeing 767-ER, Projektname: CARIBIC 1994 – 1997 Entwicklungs- und Bauphase Mai 1997 Testflug ‘Malediven - Düsseldorf’ bis Apr 2002 75 Messflüge á 10 h Anfang 2001 OK für CARIBIC II : Umstieg auf Airbus A340-600 von Lufthansa AG Nov 2004 Umbau Airbus A340-600 Finanzierung: EU: CARIBIC I: 1.2.1996 – 31.7.1999, CARIBIC III: 1.1.2002 – 31.12.2005 BMBF: AFO 2000: 1.4.2001 – 31.3.2004 Industrie: LTU, Ruhrgas AG, Ford Forschung, Lufthansa AG Eigenfinanzierung durch die beteiligten Institute

  7. Instrument container concept gross weight: ~1.5 t power consumption: < 8 kW container inlet connector bracket inlet sampling lines (~2.6 m) container connector bracket ~24 m to aircraft tip

  8. CARIBIC II

  9. CARIBIC II inlet

  10. PTR-MS O3 H2O CARIBIC II Container

  11. CARIBIC Instrumente des IMK • Ozon • UV Photometer & Festkörper-Chemilumineszenz • äußerst genau (~1 %, ~0.3 ppbv) und schnell (10 Hz) • Wasserdampf und Wolkenwasser (-eis) • Taupunktspiegel-Hygrometer & 2-Kanal-Photoakustik-Laserspektrometer • robust, relativ leicht (28 kg) • relativ langsam (~10-60 sec), genau (~0.5 ppmv) • Organische Verbindungen • Proton-Transfer-Reaktions-Massenspektrometer • äußerst komplex • schnell (Sekunden)

  12. CARIBIC II : Messgrößen In-situ: O3, H2O (Dampf,Wolke), CO2, CO, NO, NOy, O2/N2, Hg, VOCs, Aerosol Aerosolproben (14) Element-ZusammensetzungSi, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, ... • Luftproben (30 Proben) • (Treibhaus-) Gase CO2, CH4, N2O, SF6, H2 • isotopische Zusammensetzung CO:13C, 18O,CO2:13C, 18O • NMKWs:ethane, ethene, propane, propene, iso-butane, butane, acetylene,trans-2-butene, 1-butene, cis-2-butene, 2-methylbutane, pentane, propine, 1,3-butadiene, trans-2-pentene, cis-2-pentene, cyclohexane, 2-methylpentane, 3-methylpentane, hexane, isoprene • Halogenierte Verbindungen: • CKWs -11, -12, -13, -113, -114, -114a, -115,FCKWs -21, -22, -141b, -142b, -123, -124, FCKCs -23, -134a, -143a, -152a, -125,Halone -1202, -1211, -1301, -2402, • CH3Br, CHBr3, CH2Br2, CH2BrCl, CHBrCl2, CHBr2Cl, COSC2H5Br, C2H4Br2, CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3, C2Cl4, CH3CCl3,CF4,CCl4, C2F6, C3F8, c-C4F8, CH3I, C2H5I, CH2ClI, CH3CN,CH3ONO2, C2H5ONO2 Adsorption (Carbosiev) Proben (30) oxygenierte Komponenten

  13. Mess-Zelle Laser Detektor ~15 hPa H2O Referenz-Zelle ~40°C, ~1050 hPa Entwicklung eines Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer (TDLAS) zur Messung der Isotopie (D/H, 17O/16O, 18O/16O) von Wasserdampf • „Features“: • Lasersteuerung: Sägezahn (5-100 Hz), Sinusmodulation (5-100 kHz) • Nachweis: 2f • „Stark-Herriot-Zelle“: Anlegen von DC + AC Feld (bis ~2 kV cm-1 bzw. 1000 V) • Komplettes System p- und T-geregelt • Laborsystem mit DFB Laser (1.37mm, Peltier-gekühlt) • Flugsystem mit QC Laser (6.7mm, Sterling He Kühler) • Einsatzmöglichkeiten: CARIBIC, HALO, Geophysica

  14. IR - Spektrum von H2O

  15. TDLAS - Systemanforderungen Erforderliche Nachweisgrenze in 13 km Höhe OD = 1.0 x 10-8bei 1.37 mm und l=100 m 1.7 x 10-6bei 6.7 mm und l=100 m Technisch „möglich“ ≈ 5x10-7Alan Fried, NCAR, TDLAS (l=100 m)

  16. Düssel dorf Margarita CARIBIC I: 5-Tage Rückwärtstrajektorien in 10 km Höhe

  17. C3H6 CH4 Verteilung von O3, CO, CH4, and C3H6 in 10-11 km Flugroute: Malediven– Deutschland

  18. grosse longitudinale und meridionale Gradienten zwischen der Partitionierung von eingemischtem stratospherischen O3 und photchemisch gebildeten O3 Jahreszeitliche Variation der mittleren O3 – CO Steigung in 9-12 km Höhe Zahn et al., J. Geophys. Res., 107 (D17), 4337, doi: 2001JD001529, 2002

  19. PT4*: Changes in the tropopause region Questions to be addressed: • Which processes do control Stratosphere-Troposphere Exchange at different latitudes? • What are the dynamical and microphysicalprocesses controlling dehydration at the tropical tropopause? • Is there a temperature trend in the UTLS region? • Is there a trend in water vapour / ice super-saturation in the extratropical UTLS, and why? • What is the impact of air traffic on cirrus clouds and ozone? • What are the contributions of dynamics and local chemistry to the ozone budget of the UT? • Is there a long term trend in UTLS ozone? √ (√) √ √ √ √

  20. Zukunft (1-2 Jahre) • 15.-30. November 2004 Umbau A340-600 • 1-2 Messflüge pro Monat • Vertrag mit Lufthansa AG über 10 Jahre • Messungen durchführen  Daten interpretieren & veröffentlichen • Ozon: Verbesserung der Optik  Präzision bei 0.2 Hz: ≤0.2 ppbv Entwicklung eines kleinen Gerätes: ≤15 kg, ≤200 W • H2O: abhängig von ersten Flügen • PTRMS: fliegen, fliegen, fliegen • TDLAS: bis Ende 2005: Laborteste im NIR (DFB: 1.37 mm) ab Anfang 2006: Übergang zum MIR (QC: 6.7 mm)

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