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Modelle für die mittlere Atmosphäre

EMAC-Edith

EMAC (ECHAM5 MESSy Atmospheric Chemistry) ist ein dreidimensionales Chemieklimamodell. Es besteht aus dem dynamischen Kern ECHAM5 und dem Modular Earth Submodel System (MESSy). Dieses Modellsystem simuliert die Physik und Chemie der Atmosphäre vom Erdboden bis in etwa 80 km. Innerhalb unserer Gruppe wird das vorhandene Modell genutzt, um den Einfluss von solaren Teilchen auf den Zustand der Atmosphäre zu untersuchen. Da diese auch einen großen Einfluss auf Höhen oberhalb von 80 km haben, arbeitet unsere Arbeitsgruppe ebenfalls an der vertikalen Erweiterung des Modells bis in etwa 180 km Höhe. In Zukunft soll das Modell in größere Höhen (~400 km) erweitert werden. Hierfür werden fehlende wichtige Prozesse in das neue Submodul EDITh implementiert. Hierzu zählen zum Beispiel molekulare und turbulente Diffusion, Ionenwiederstand, Strahlungskühlen von NO oder auch Airglow. Um den Teilcheneinfluss auch in der Thermosphäre simulieren zu können wurde das Modell um eine Parametrisierung (Nieder et al., 2014) basierend auf UBIC/3dCTM-Ergebnissen erweitert.

 

Airglow von OH 3-1 von EMAC während des Warmings 2009 NOx aus EMAC während des Warmings 2009

Ergebnisse des Modells EMAC während des Warmings 2009 für OH Airglow 3-1 und NOx.

 

 

Das Ionenchemiemodell UBIC

 

Das Ionenchemiemodell der Universität Bremen (UBIC) ermöglicht die Berechnung von Produktions- und Verlustraten von neutralen Stoffen wie beispielsweise NOx (N, NO, NO2) durch ionische Reaktionen in einer ionisierten Atmosphäre. Angetrieben werden die Reaktionen von der Ionenpaarproduktion durch Teilcheneinflüsse. Das Modell wird mit der ursprünglichen, nicht ionisierten Atmosphäre und der Ionisationsrate initialisiert und löst ein System gekoppelter Differentialgleichungen für die Reaktanten durch numerische Näherung. Die UBIC-Berechnung berücksichtigt die Tatsache, dass Ionen sehr schnell reagieren und schon nach kurzer Zeit ein photochemisches Gleichgewicht für die Ionen erreicht wird. UBIC kann also von einem übergeordneten Modell für neutrale Chemie aufgerufen werden und Ionen erzeugen und ins Gleichgewicht bringen. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sich Ionisationsrate und Zusammensetzung der neutralen Atmosphäre während der Ionenreaktionen nicht wesentlich ändern. UBIC liefert dann die Bildungs- bzw. Verlustraten für die neutralen Stoffe wie NOx, die an Reaktionen mit Ionen beteiligt sind. Diese Ergebnisse werden dem übergeordneten Modell übergeben, womit beispielsweise die Untersuchung der Einflüsse von Teilchenereignissen in der MLT-Region ermöglicht wird.

UBIC wurde am Institut für Umweltphysik der Universität Bremen in der Forschungsgruppe von Miriam Sinnhuber, im Rahmen des deutschen Schwerpunktprojektes CAWSES entwickelt.

 

UBIC Ratenplot

Mit dem Ionenchemiemodell UBIC berechnete Produktionsrate von NOx in 1/Ionenpaar für das solare Protonenereignis vom 28. Oktober 2003.

 

Winkler, H., Kazeminejad, S., Sinnhuber, M., Kallenrode, M.-B., and Notholt, J., The conversion of mesospheric HCl into active chlorine during the solar proton event in July 2000 in the northern polar region, J. Geophys. Res., 114, D00I03, 2009

M. Sinnhuber, H. Nieder, N. Wieters, Energetic particle precipitation and the chemistry of the mesosphere / lower thermosphere, In: Crucial Processes Acting in the Mesosphere / Lower Thermosphere, editors E. Becker / M. Rycroft, Surveys in Geophysics 33, doi:10.1007/s10712-012-9201-3, 2012

 

 

Dreidimensionales Chemietransportmodell (3dCTM)

Das 3dCTM ist ein dreidimensionales Chemietransportmodell, dessen Entwicklung an der Universität Bremen begonnen wurde und das am KIT weiterentwickelt wird. Das Modell berechnet chemische Reaktionen und Transportvorgänge in der Atmosphäre in einem Höhenbereich von der Tropopause bis in die untere Thermosphäre (etwa 10 bis 150 km Höhe). Massenflüsse werden dem Modell aus LIMA-Daten oder ECMWF-Daten vorgegeben, die chemischen Reaktionen sind allein durch die jeweiligen Reaktionskonstanten bestimmt. Das 3dCTM berücksichtigt die Berechnung der Bildung von polaren Stratosphärenwolken (PSCs) und von stratosphärischen Aerosolen.

In das Modell können anthropogene Emissionen aufgenommen werden, indem das troposphärische Mischungsverhältnis vorgegeben wird; der Transport über die Tropopause in die untersten Höhenlevel des Modells erfolgt über die vorgegebenen Windfelder. Die Produktion von Stickstoffoxiden in den höheren Modellschichten wird durch AIMOS-Ionisationsraten und effektive Produktionsraten, abhängig vom Zustand der Atmosphäre, vorgegeben.

 

NOxplot

Volumenmischungsverhältnis von NOx aus einer Berechnung des 3dCTM. Gezeigt sind die Werte am 180. Längengrad als Funktion von Breite und Höhe.

Sinnhuber, M., Berger, U.; Funke, B.; Nieder, H.; Reddmann, T.; Stiller, G.; Versick, S.; Clarmann, T. von; Wissing, J. M., NOy production, ozone loss and changes in net radiative heating due to energetic particle precipitation in 2002-2010, Atmos. Chem. Phys., 18, 1115-1147, 2018.

Winkler, H., Sinnhuber, M., Notholt, J., Kallenrode, M.-B., Steinhilber, F., Vogt, J. Zieger, B., Glassmeier, K.-H., and Stadelmann, A., Modelling Impacts of Geomagnetic Field Variations on Middle Atmospheric Ozone Responses to Solar Proton Events on Long Time Scales, J. Geophys. Res., 113, D02302, doi:10.1029/2007JD008574, 2008