Zahn, A.

Keller, Julia

"Wasserdampf und Wolken spielen unter anderem durch ihre Absorptionseigenschaften im langwelligen Strahlungsbereich eine essentielle Rolle im Klimasystem der Erde. Ein grosser Anteil der Strahlungsabsorption ist dem Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UT/LS) zuzuschreiben. Doch die räumliche und zeitliche Verteilung des Wasserdampfs in diesem Atmosphärenbereich ist noch schlecht verstanden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Messung von Wasserdampf und Wolkenwasser bzw. -eis in der UT/LS an Bord eines Passagierflugzeugs (Airbus A340-600) der Lufthansa (Projekt CARIBIC). Etwa monatlich finden Messflüge in Richtung Asien oder Nord-/Südamerika statt. Die Wasserdampf- und Wolkenmessungen werden mit einem schnellen 2-Kanal-Photoakustik-Laserspektrometer und einem genauen Taupunktspiegel-Hygrometer durchgeführt. Das bisher verwendete Instrument stellt einen Prototyp dar. Um in Zukunft noch präzisere Messungen zu erhalten, wurde das Instrument im praktischen Teil der Arbeit optimiert. Das Messverhalten des Taupunktspiegel-Hygrometers wurde verbessert, wodurch sich die Reaktionszeit des Instruments bei Feuchteänderungen verringerte. Dies ermöglicht eine genauere Kalibrierung des Laserspektrometers. Das Photoakustik-Laserspektrometer wird in Zukunft durch ein neues, etwa viermal empfindlicheres System ersetzt. Die detaillierte Beschreibung des zugrundeliegenden Messprinzips, die Charakterisierung des neuen Systems sowie die Präsentation erster Testmessungen sind weitere experimentelle Teile dieser Arbeit.

Im wissenschaftlichen Teil wurden die bisher gewonnenen Daten ausgewertet und unter verschiedenen Aspekten interpretiert. Die Betrachtung einzelner Flüge relativ zur Tropopause aus Modelldaten des ECMWF zeigt, dass die Luft in stratosphärischen Intrusionen und Tropopausenfalten sehr trocken ist, teilweise mit Frostpunkt-Temperaturen von unter -75°C. Die jahreszeitliche Verteilung vonWasserdampf in der UT/LS, abgeleitet aus den Daten von März 2006 bis März 2008 zeigt einen deutlichen Jahresgang. Der Transport von Wasserdampf aus der Troposphäre in die Stratosphäre wurde durch eine Auftragung des Mischungsverhältnisses relativ zur Tropopause untersucht. Basierend auf den Temperaturmessungen des Flugzeugs wurde die relative Feuchte in den durchflogenen Luftmassen, in Abhängigkeit der Temperatur und der Jahreszeit bestimmt und die Verteilung von eisübersättigten Regionen abgeleitet. Diese sind für ein besseres Verständnis des Klimasystems und des Strahlungsantriebs von Wasserdampf und Wolken äusserst wichtig."

Die Arbeit wurde am IMK-ASF durchgeführt.