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The TTL is the transition layer between the tropical troposphere and stratosphere, and is the main region where tropospheric air enters the stratosphere. In this thesis different transport processes are studied by using in situ measurements of tracers. Long-lived tracers were measured with the High Altitude Gas Analyzer (HAGAR) on board the M55 Geophysica aircraft. The instrument was developed by the University of Frankfurt and measures the long-lived tracers CO2, N2O, CFC-12, CFC-11, H-1211, SF6, CH4 and H2 with two gas chromatographic channels and a CO2 sensor (LICOR). The measurements are supported by CO and O3 measurements of other instruments. Two campaigns were conducted to obtain measurements in the TTL: SCOUT-O3 (November/December 2005 in Darwin, Australia) and AMMA-SCOUT-O3 (August 2006 in Ouagadougou, Burkina Faso). After a general introduction of the thesis in chapters one and two, the third chapter describes the findings during this last campaign. Five local flights are analyzed to study the different transport processes that occur in the tropical tropopause layer above West-Africa: deep convection up to the level of main convective outflow, vertical mixing after overshooting of air in deep convection, horizontal inmixing from the extratropical lower stratosphere, and horizontal transport across the subtropical barrier. Main findings are that the TTL over West-Africa is mostly influenced by remote convection. The subtropical barrier is not a strong barrier but more a region of transition between the extratropical and the tropical stratosphere. Chapter 4 presents the results obtained during the SCOUT-O3 campaign. From the eight local flights the last four flights (051129, 051130a, 051130b, 051205) show enhanced values of ozone, CO and CO2 between 355 and 380 K potential temperature in comparison with the first four flights (051116, 051119, 051123, 051125). Horizontal inmixing from the extra-tropical stratosphere and influence of the local convective system Hector cannot explain the enhanced values of the two flights on 30 November Therefore, other possible explanations for these enhanced CO, CO2 and ozone levels are proposed. The first explanation is vertical mixing in the vicinity of the jet stream. However, the jet cannot explain the differences between the flights on 30 November and the flights on 29 November and 5 December. Another possible explanation is influence of polluted boundary layer air masses from the Indonesian region. Especially air sampled during the flights on November 30 crossed large parts of northern Indonesia between 8 and 10 days before the measurements. Convective uplift of biomass burning and other pollution plumes can transport CO and ozone precursors into the upper troposphere, where they can significantly enhance the ozone production. The last chapter deals with the vertical ascent rate in the TTL and uses measurements of both the SCOUT-O3 and AMMA-SCOUT-O3 campaign as well as data from previous aircraft campaigns (TROCCINOX and APE-THESEO). Time scales and residence times for mean vertical transport in the background TTL are estimated for different seasons and over different geographic regions using in situ observations of CO2 and long-lived tracers. The vertical transport time scales are constrained using the seasonal variation of CO2 in the tropical troposphere as a “tracer clock” for vertical ascent. Two methods are applied to calculate the residence time in the layer between 360 and 390 K potential temperature. The first method uses the slope of the CO2 index, the second method fits the CO2 index directly to the measurements assuming a constant ascent rate. The first method yields residence times for Australia,West Africa, and Brazil of the same order, 35-45 days to 380 K and 50 days to 390 K (where no value can be derived for Australia as the slope is changing approximately one month before the campaign). For APE-THESEO, the method does not yield reasonable results. The best estimates using the second method show moderate residence times between 360 and 390 K of 60±25 days SCOUT-O3 (NH autumn) and 43±8 days for AMMA/SCOUT-O3 (NH summer). These results agree well with the results calculated using the first method. For APE-THESEO and TROCCINOX the best fits yield shorter residence times of 23±7 and 40±10 days, respectively, both during winter. These results correspond well to the expectations based on the seasonal variation of the Brewer-Dobson circulation.
Die kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der atmosphärischen Konzentration von Eiskeimen, einer Unterklasse des atmosphärischen Aerosols, die bei der Eisbildung in Wolken eine zentrale Bedeutung besitzt. Messungen der Eiskeimkonzentration am Taunusobservatorium (Kleiner Feldberg) (nahe Frankfurt am Main) wurden mit dem Verfahren einer Vakuum-Diffusionskammer durchgeführt. Die Arbeit umfasst die Darstellung des angewandten Messverfahrens und die Analyse und Bewertung der Messergebnisse für den Raum Zentraleuropa, anhand von u.a. Rückwärtstrajektorien und Korrelationen zu aerosolphysikalischen Parametern. Ein signifikanter Einfluss von Mineralstaub-Ferntransport aus Wüstengebieten auf die Eiskeimkonzentration in Zentral-Europa wurde ermittelt.
The thesis is devoted to the study of the Antarctic polar vortex, mainly by analyzing data collected during APE-GAIA (1999) and ASHOE (1994) campaigns and recorded by the ADEOS satellite (1996-1997), and to improvement of the chromato-graphic processing schemes. A general introduction and overview of the campaigns and instruments relevant to the present work are given in Chapters 1 and 2. A relatively large part of the thesis (Chapters 3-5) is on improvement of the analysis of raw chromatographic data recorded during in-flight measurements of the trace gases. A Gaussian non-straight-base-line method, i.e. the Gaussian processing scheme (Chapter 3), is developed for better evaluation of the chromatographic peak size. Furthermore, a statistical cross-correlation method (Chapter 5) based on statistical behaviour of the whole chromatogram series fNchrg recorded, e.g., during a research flight or laboratory calibration, is developed and applied to measure the low-concentration trace gases. As demonstrated for HAGAR's chromatograms (HAGAR - High Altitude Gas Analyzer), the combination of the Gaussian fitting scheme for individual chromatograms and the statistical cross-correlation method for a series of subsequent chromatograms considerably improves and stabilizes quantitative analysis of in-flight chromatographic data. In this case, the detection accuracy of weak and noisy chromatographic signals can be improved by up to 40 %. A particular attention is paid to the in-flight two-standard calibration method. For this method, a special procedure, that allows to evaluate and effectively remove a weak background chromatographic signal associated with residual molecules in the carrier gas N2, is proposed and coded (Chapter 4). The developed approaches and methods are completely automized and, therefore, can be used for processing of in-flight chromatograms of recent and future field campaigns. The main part of the thesis (Chapters 6-8) deals with a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system ... , based on a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use for i = N2O in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex, linearization and compactization of the tracer-tracer correlations in the polar vortex core (i.e. the stratospheric dynamics in this area), and the differential ozone losses in the Antarctic polar vortex area. In the coordinate system ... (...-method, Chapter 6), which refers to a well-developed polar vortex, the mixing ratio Âi is the vertical coordinate and ... = .... i is the reference profile in the vortex core) is the meridional coordinate. The quasi-Lagrangian coordinates ... are much more long-lived comparing with the standard quasi-isentropic coordinates, potential temperature ... and equivalent latitude ..e, do not require explicit reference to geographic space, and therefore well-suited for studying the dynamics of the Antarctic polar vortex and the relevant ozone loss processes. By using the introduced coordinate system ... to analyze the well-developed Antarctic vortex investigated in the APE-GAIA campaign, it is shown, in concurrence with the conclusion of A. M. Lee et al. (2001), that the Antarctic vortex area can be described in terms of the well-mixed and well-isolated vortex core, relatively wide vortex boundary region and adjoining surf zone. In this case, the reference profile ... i , which is compact in a well-developed and isolated polar vortex core [J. B. Greenblatt et al. (2002)], can be found by combining airborne (and/or balloon) data with high-altitude satellite measurements. A criterion, which uses the local in-situ measurements of Âi = Âi(£) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (±-step) in the meridional pro¯le of the mixing ratio..., is developed in Chapter 6 to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex is proposed to attribute to the position of a local maximum of ...H2O in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the ...-parametrization of tracer-tracer correlations allows to distinguish the tracer-tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone (Chapter 7). This is clearly illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships Âi ¡ ÂN2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFCl3 (CFC-11), CF2Cl2 (CFC-12), CBrClF2 (H-1211) and SF6. The solitary anomalous points in the ...CFC11 ¡ ÂN2O correlation, observed in the Antarctic vortex core during the APE-GAIA and ASHOE campaigns, are interpreted in terms of small-scale localized differential descent. As detailed in Chapter 8, the quasi-Lagrangian coordinate system fÂN2O; ¢ÂN2Og is an effective tool for evaluation of the differential ozone losses in the polar vortex area. With this purpose, a two-parametric reference function ...O3 = F(...), which characterizes the unperturbed O3 distribution in the early winter polar vortex area, is introduced to separate and quantify in terms of the meridional coordinate ...2O the differential ozone losses in the vortex core and vortex boundary region. The method is applied to analyze the ozone depletion in the Antarctic stratosphere during the austral spring 1999 (APE-GAIA campaign). In Chapter 9, the main results of the thesis are summarized.
All living organisms exhibit daily fluctuations in biochemical, physiological and behavioural parameters driven by endogenous oscillators, residing in the organism itself. In mammals, the core circadian oscillator is located in the paired suprachiasmatic nuclei (SCN) of the hypothalamus. Circadian rhythm generation in the SCN depends upon the expression of clock genes interacting in positive and negative transcriptional/translational feedback loops. The SCN governs the timing of peripheral circadian oscillators by neuronal pathways and by neuroendocrine mechanisms. An important neuroendocrine hand of the core circadian oscillator is melatonin, which is produced in and secreted from the pineal gland night by night. The adenohypophysis represents a peripheral circadian oscillator and the secretion of one of its hormones, prolactin, is known to be regulated by melatonin. The aim of the present study was to analyze a putative influence of melatonin on the activity state and diurnal variations of identified cell types in the hypophysis. Particular attention was paid to lactotroph, gonadotroph and pars intermedia cells. Experiments were performed with young male mice of different strains: melatonin-proficient C3H, melatonin-deficient C57BL, melatonin-proficient C3H with targeted deletions of the Mel1a receptor (MelaaBB), Mel1b receptor (MelAAbb) or both receptors (Melaabb). Cells producing prolactin (PRL), follicle stimulating hormone (FSH) were immunocytochemically identified and the presence of phosphorylated CREB protein (pCREB) and clock gene protein PER1 was demonstrated by double immunolabeling at different time points during the light/dark cycle in melatonin deficient, melatonin proficient and melatonin receptor knockout mice. Melatonin influence on Prl mRNA levels was investigated by means of in situ hybridization. At night the percentage of lactotroph cells showing a positive nuclear pCREB- and PER1-immunoreaction is significantly smaller in C57BL than in C3H mice. In both mouse strains, the percentage of pCREB –immunoreactive cells is minimal in the early morning and gradually increases to reach a maximum in the late night. PER1 levels show a parallel temporal variation in C3H, but in C57BL, they are drastically reduced in the early afternoon. The percentage of FSH-immunoreactive cells showing pCREB immunoreaction was significantly lower in the melatonin-deficient C57Bl mice than in the melatonin-proficient C3H mice during the second part of the day and during the night. In each strain, the percentage of FSH-immunoreactive cells was lowest at the early morning and gradually increases until the maximum at late night. In wild type (MelAABB) and MelAAbb mice the percentage of lactotroph cells with nuclear pCREB immunoreactions varied significantly over 24 h period, whereas in MelaaBB and Melaabb mice no significant differences were found between the five time points analyzed. The number of Prl mRNA expressing cells was significantly higher in MelaaBB and MelAAbb than in their wild type (MelAABB) littermates. pCREB levels in the pars intermedia did not show rhythmic variation in wild type or Melaabb animals, but wild type mice had higher pCREB levels than Melaabb. The observation that, during darkness, the percentage of lactotroph cells with nuclear pCREB immunoreaction is significantly higher in C3H than in C57BL mice suggests the existence of a distinct cell population that is under the control of melatonin-dependent intrapituitary signaling. Results with melatonin receptor knockout mice indicate that Mel1a and Mel1b melatonin receptors are involved in the control of the activity state of lactotroph cells, but to a differing degree. Analysis of cells expressing Prl mRNA showed that inhibitory action on the Prl expression is mostly mediated through the Mel1a receptor. The significant difference between pCREB immunoreaction in gonadotroph cells of C3H and C57BL mice might suggest that, like lactotrophes, FSH cells represent a heterogeneous population and only a subpopulation is under control of melatonin signaling. The present study is first to show that melatonin signaling also affects pCREB levels in pars intermedia of mice.
Since the discovery of the ozone hole [Farman et al., 1985], the dynamics of the stratosphere and the transport of anthropogenic trace gases from the surface to the higher atmosphere has come into the focus of interest. In the tropics, air rises high into the stratosphere and is transported poleward. Trace gases like the CFCs1, photochemically stable in the troposphere, are thus transported into regions where they are photolyzed. The products of the photolysis reactions (eg. Cl, Br) interact in the catalytic ozone cycles and lead to enhanced ozone depletion. Regarding the transport of trace gases, the so-called lowermost stratosphere (LMS) is a very interesting region, where the troposphere and the stratosphere directly interact and air masses out of both regions are mixed. It is the lowest part of the stratosphere between the tropopause and the 380 K isentrope. Tropospheric air can enter this region directly via isentropic transport across the extra-tropical tropopause whereas stratospheric air descends across the 380 K isentrope via the mean meridional circulation. Stratosphere-troposphere exchange (STE) controls the chemical composition of the LMS as well as of the tropopause region and thus has an important effect on the radiative and chemical balance of these regions and the climate system. STE exhibits a strong seasonality [Holton et al., 1995]. While downwelling of stratospheric air across the 380 K isentrope is the dominant process in winter, troposphere-to-stratosphere transport (TST) gains importance in summer, when the downwelling from the stratosphere is only weak. Isentropic transport across the extra-tropical tropopause occurs in regions where the tropopause is strongly disturbed and is connected to tropopause folds, streamer events, frontal zones, polar and subtropical jets, warm conveyor belts and cut-off low systems. A short introduction into STE, the LMS region, and methods to study atmospheric transport is given in Chapter 1. One useful tool to analyse the motions of air and transport processes are longlived trace gases. Since the lifetimes of these tracers are longer than the time scale of the transport processes they are involved in, the distribution of tracers in the atmosphere is mostly determined by dynamics. In the context of this thesis, measurements of such long-lived tracers were performed and used to study transport into the LMS region in the northern hemisphere. During the Vintersol/EuPLEx and ENVISAT validation campaigns in winter 2003, long-lived tracers such as N2O, CH4, CFC-12, CFC-11, H-1211, H2, SF6 and CO2 were measured with the High Altitude Gas Analyser (HAGAR), a two channel in-situ gas chromatograph combined with a CO2 instrument, based on nondispersive infrared absorption. Combined with measurements taken during campaigns in Forli/Italy (ENVISAT validation) in July and October 2002, tracer data were gathered from the tropopause up to altitudes around 20 km during 25 flights on board the Russian high-altitude aircraft M55 Geophysica. Thus, a substantial set of high quality tracer data has been obtained covering the polar vortex region as well as the mid latitudes of the northern hemisphere. Chapter 2 gives an overview of the HAGAR instrument and necessary improvements of the instrumental set up (implementing a CH4 channel) that were performed in the context of this thesis, and review data processing, the measurement campaigns. In order to study transport into the LMS it is assumed that air basically enters the LMS via three different pathways: a) quasi-isentropic transport from the troposphere, b) downward advection from the middle stratosphere through the 380 K surface and c) in the polar vortex region subsidence of air from of the polar vortex. Fractions of air originating in each of these source regions are determined with a simple mass balance calculation by using observations of a subset of the above species with distinct lifetimes (N2O, CH4, CFC-11, H-1211, H2 and O3) yielding complementary constraints on transport from each region. Details of the mass balance calculation and the results are presented in Chapter 3. During the mid-latitude measurement campaigns in Forlí the passing of a cut-off low system associated with an elongated streamer over Europe was observed. The impacts of this event on the trace gas mixing ratios in the LMS are examined in Chapter 4. Finally, a summary is given in Chapter 5.
Im Rahmen des Projektes SPURT (Spurenstofftransport in der Tropopausenregion) als Teil des deutschen Atmosphärenforschungsprogramms AFO 2000 wurden bei 8 Messkampagnen mit insgesamt 36 Flügen innerhalb eines Beobachtungszeitraums von zwei Jahren (Nov. 2001 bis Juli 2003) Spurengasmessungen in dem Breitenbereich zwischen 35°N und 75°N durchgeführt. Für die Messungen der Spurengase N2O, F12, SF6, H2 und CO wurde der vollautomatisierte in-situ GC (Gaschromatograph) GhOST II (Gas Chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) entwickelt und eingesetzt. Das Ziel dieser Messungen war die Untersuchung der jahreszeitlichen Variabilität der Spurengase in der oberen Troposphäre und untersten Stratosphäre (UT/LMS: Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere), um die Transport- und Austauschprozesse in der Tropopausenregion besser zu verstehen. Zur Untersuchung von Transport und Mischung in der UT/LMS wurden die Rückwärtstrajektorien entlang der Flugpfade, die Verteilungen der Tracer N2O, F12, SF6, CO und CO2 (MPI für Chemie in Mainz), die Tracer/Tracer-Korrelationen N2O/F12, N2O/O3 F12/O3 und SF6/O3 und die Verteilungen des aus SF6-Messungen berechnete mittlere Alters der Luft herangezogen. Zusätzlich wurden die simultanen Messungen der beiden Alterstracer CO2 und SF6 genutzt, um die Propagation der Amplitude des troposphärischen CO2-Jahresgangs in die LMS zu bestimmen und daraus mit Hilfe eines empirischen Altersspektrums den Eintrag und die mittlere Transportzeit aus der Troposphäre in die unterste Stratosphäre zu quantifizieren. Grundsätzlich muss die LMS in zwei Bereiche eingeteilt werden – die Übergangsschicht („tropopause following layer“) bis etwa 20-30 K über der potentiellen Temperatur der lokalen Tropopause [Hoor et al., 2004] und die freie LMS oberhalb dieser Schicht. Als wesentliche Unterscheidungsmerkmale beider Bereiche wird die mittlere Transportzeit des Eintrags troposphärischer Luft identifiziert. Aus Trajektorienuntersuchungen und Tracerverteilungen (Kap. 3.4) kann gezeigt werden, dass der Transport in die Übergangsschicht und die Mischungsprozesse in diesem Bereich auf der Zeitskala der mesoskaligen troposphärischen Prozesse ablaufen. Im Gegensatz dazu werden aus der Massenbilanz (Kap. 5.3) mittlere Transportzeiten aus der Troposphäre in die freie LMS von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten abgeleitet. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass der troposphärische Eintrag in der freien LMS fast ausschließlich auf quasihorizontale isentrope Einmischung aus den Tropen über die Transportbarriere des Subtropenjets zurückzuführen ist. Nur im Sommer und Herbst konnte auch oberhalb der Übergangsschicht für einzelne Messungen ein Einfluss aus der extratropischen Troposphäre beobachtet werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Tracerverteilungen und -korrelationen (Kap. 4) und die Verteilung des mittleren Alters (Kap.5.2) in der LMS zeigen einen Jahresgang mit einem maximalen troposphärischen Einfluss im Oktober und einem maximalen stratosphärischen Einfluss im April. Diese saisonale Charakteristik in der freien LMS kann durch die saisonalen Änderungen des Verhältnisses von Abwärtstransport aus der Overworld und quasihorizontalem Transport aus den Tropen und durch die mit den jeweiligen Transportprozessen assoziierte mittlere Transportzeiten erklärt werden, die aus Massenbilanzrechnungen bestimmt wurden. Es wird gezeigt, dass der überwiegende Eintrag von troposphärischer Luft in die LMS im Sommer und Herbst stattfindet, wobei im Mittel die kürzesten mittleren Transitzeiten (unter 0.3 Jahre) für den August und die längsten Transitzeiten (über 0.6 Jahre) für den Mai berechnet werden. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass ein ausgeprägter isentroper Austauschprozess über den Subtropenjet im Sommer bis in den Herbst hinein der dominierende troposphärische Einfluss in der LMS bis in den Mai ist. Der Vergleich zwischen SPURT und anderen in der UT/LMS im Zeitraum von 1992 bis 1998 durchgeführten Messkampagnen zeigt einen systematischen Unterschied in den N2O/O3-Korrelationen. Die Zunahme von O3 relativ zu N2O in der LMS ist um etwa 6.5 ppb O3 pro 1 ppb N2O bzw. etwa 40% größer als die Zunahme bei jahreszeitlich vergleichbaren früheren Kampagnen. Durch eine weitergehende Analyse der Messungen, z.B. durch den Vergleich der N2O-Verteilungen in der LMS bei verschiedenen Messkampagnen, und zusätzlichen Informationen aus Satelliten- und Ballonmessungen wird abgeleitet, dass diese Änderung der N2O/O3-Korrelationen im Wesentlichen auf einen im Zeitraum von SPURT stärkeren quasihorizontalen Transport aus den Tropen in die Extratropen im Bereich des so genannten „tropical controlled transition layer“ [Rosenlof et al., 1997] zwischen 16-21 km (bzw. Θ ≈ 380-450 K) zurückzuführen ist. In Kooperation mit B. Bregman wurden mit dem Chemie-Transport-Modell TM5 des KNMI die Verteilungen von SF6 und CO2 in der Troposphäre und Stratosphäre, unter den Zielsetzungen Evaluation des Modelltransports und Erweiterung des Datensatzes von SPURT auf globalen Maßstab, für den Zeitraum 1.1.2000 bis 31.12.2002 modelliert. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Modellstudien zur Evaluation des Transports mit Hilfe von Alterstracern nicht nur troposphärisch monoton steigende Tracer wie SF6 sondern auch saisonal variable Tracer wie CO2 verwendet werden müssen. Bei dem Vergleich der Modellergebnisse des TM5 mit ER2- und SPURTMessungen zeigt sich, dass das Modell zum jetzigen Zeitpunkt in der Lage ist, das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre und die SF6- und CO2-Verteilungen in der LMS qualitativ richtig wiederzugeben. Das mittlere Alter in der unteren Stratosphäre wird um etwa 0.5 bis 1 Jahr in den Tropen über- und in den Extratropen unterschätzt. Die vertikalen Gradienten im Modell für SF6 und CO2 in der LMS sind, insbesondere im Winter und Frühjahr, zu gering. Die Amplitude des CO2-Jahresganges in der oberen Troposphäre und in der LMS wird durch das Modell unterschätzt, während der saisonale Verlauf des Jahresganges richtig wiedergegeben wird. Im Moment wird vermutet, dass eine zu starke isentrope Mischung zwischen Tropen und Extratropen und/oder ein zu geringer Aufwärtstransport in der extratropischen Troposphäre im Sommer und Herbst die Ursachen für die beobachteten Abweichungen zwischen Modell und Messung sind.
In der Stratosphäre finden eine Reihe von dynamischen und chemischen Prozessen statt, die u.a. den Abbau von Ozon beeinflussen. Um die langfristigen Veränderungen in der Stratosphäre untersuchen zu können müssen die Abhängigkeit dieser Prozesse von Raum und Zeit bekannt sein. In dieser Arbeit wird eine Untersuchung zur Variabilität der Stratosphäre auf der Grundlage der Varianz von Tracern, die in Form der „Equivalent Displacement Height“, kurz: EDH, dargestellt wird, vorgestellt. Die EDH ist tue mit Hilfe des lokalen vertikalen Gradienten normierte lokale Standardabweichung des Mischungsverhältnisses eines Tracers und besitzt die Dimension einer Länge. Durch die Normierung kann die Varianz verschiedener Tracer miteinander verglichen werden. Mit dem Konzept ist allerdings nur die Diagnose der Variabilität möglich und keine Quantifizierung der dafür verantwortlichen Prozesse. Für die Fragestellung werden drei Datensätze ausgewertet. Ein Datensatz ist mit Hilfe eines kryogenen Luftprobensammlers entstanden. Die Berechnungen iii dieser Arbeit zeigen, dass die zeitliche und räumliche Abdeckung dieses Datensatzes zu niedrig ist, um mit ihm eine repräsentative Aussage über die Varianz von Spurengasen in der Stratosphäre treffen zu können. Eine bessere zeitliche und räumliche Abdeckung besitzt der Datensatz des Satellitenexperimentes HA-LOE. Dieser wird dazu verwendet die monatlichen Verteilungen der mittleren EDH von CH4 und O3 in einem Höhenbereich zwischen 19 und 50 km für einen Zeitraum von 1993 bis 2000 zu berechnen. Die mittlere EDH von OH4 besitzt über den Hemisphären jeweils einen unterschiedlichen Jahresgang. Die Diskussion zeigt, dass dieser hemisphärische Unterschied auf die verschiedenen dynamischen Bedingung in der Stratosphäre über den Hemisphären zurückgeführt werden kann, vor allem auf die Existenz eines stabileren und langlebigeren Polarwirbels in der Südhemisphäre. Im Gegensatz dazu zeigt die mittlere EDH von O3 über beiden Hemisphären einen vergleichbaren Jahresgang, mit minimalen Werten der Varianz während der Sommermonate, wenn die Ausbreitung planetarer Wellen in die Stratosphäre durch die vorherrschende Ostwindzirkulation behindert wird. Dieser Jahresgang steht in Verbindung mit den chemischen und dynamischen Prozessen bzw. der Kombination, welche die Verteilung und Varianz von O3 in der Stratosphäre kontrollieren. Eine eindeutige Trennung der einzelnen Effekte ist dabei allerdings nicht möglich. Der Datensatz des Simulationsmodell KASIMA enthält die Verteilung von CH4 und O3 mit der höchsten zeitlichen und räumliche Abdeckung aller drei Datensätze. Ein Vergleich zwischen den daraus berechneten Verteilungen der mittleren EDH beider Spurengase mit den HALOE-Daten soll helfen, die Varianz welche durch das Modell simuliert wird, mit der gemessenen zu vergleichen. Für das O3 wird eine gute Übereinstimmung zwischen der modellierten und gemessenen Varianz gefunden. Diese guten Übereinstimmungen ergeben sich für CH4 nicht. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der beiden Tracer wird aus den Ergebnissen geschlossen, dass das Modell die chemischen Prozesse besser simuliert als den atmosphärischen Transport. Mit Hilfe von drei Fallstudien werden weitere Möglichkeiten aufgezeigt. die mit dem Konzept und den Datensätze von HALOE und KASIMA noch bestehen. In der ersten Fallstudie werden anhand der Verteilungen der EDH von CH4 aus dem März 1996 und 1997 die Auswirkungen vorm zwei unterschiedlichen meteorologischen Situation diskutiert, wobei ein eindeutiger Zusammenhang festgestellt wird. In einer zweiten Fallstudie wird der Frage nachgegangen, ob die Normierung auf den vertikalen Gradienten bei der Berechnung der EDH sinnvoll ist, da horizontale Transportprozesse in der Stratosphäre dominieren. Es wird daher zum Vergleich die „Equivalent Displacement Length (EDL)“ von CH4 berechnet, bei der eine Normierung der Varianz auf den horizontalen Gradienten erfolgt. In der dritten Fallstudie wird die Verteilung der mittleren EDH von N20, welche ebenfalls mit dem Datensatz von KASIMA berechnet worden ist, mit der von CH4 verglichen.
In dieser Arbeit wurde der chemische Ozonverlust in der arktischen Stratosphäre über elf Jahre hinweg, zwischen 1991 und 2002, mit Hilfe der so genannten "Ozon-Tracer Korrelationstechnik" (TRAC), untersucht. Bei dieser Methode werden Korrelationen zwischen Ozon und langlebigen Spurenstoffen im Verlauf des Winters im Polarwirbels beobachtet und so der jährliche akkumulierte Ozonverlust berechnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren im wesentlichen auf Messdaten der Satelliteninstrumente: HALOE (Halogen Occultation Experiment) auf UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ILAS (Improved Limb Atmospheric Spectrometer) Instrument auf ADEOS (Advanced Earth Observing Satellite). Das HALOE Instrument misst seit Oktober 1991 kontinuierlich alle zwei bis drei Monate für einige Tage in höheren nördlichen Breiten. ILAS lieferte ausschließlich für den Winter 1996-97 Messungen, die über sieben Monate hinweg in hohen Breiten aufgenommen wurden. Aufgrund der eingeführten Erweiterungen und Verbesserungen der Methode in dieser Arbeit, konnte die Methode anhand einer detaillierten Studie für den Winter 1996-97 validiert werden. Die ILAS Messreihe wurde dazu verwendet, erstmals die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von Ozon-Tracer Korrelationen kontinuierlich für die gesamte Lebensdauer des Polarwirbels durchzuführen. Dabei wurden auch Korrelationen während der Bildung des Wirbels untersucht und im Besonderen mögliche Mischungsvorgänge zwischen Wirbelluft und Luftmassen außerhalb des Wirbels. Ausserdem wurde ein Vergleich der Ergebnisse von ILAS und HALOE Messdaten durchgeführt und Unterschiede in den Ergebnissen tiefgreifend analysiert. Basierend auf HALOE Messungen konnte die erweiterte TRAC Methode über elf Jahren hinweg angewendet werden. Damit war erstmals eine konsistente Analyse von Ozonverlust und Chloraktivierung über diesen Zeitraum möglich. Die Erweiterungen führten zu einer Verringerung und genauen Quantifizierung von Unsicherheiten der Ergebnisse. Ein deutlicher Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen, Chloraktivierung und dem chemischen Ozonverlust wurde deutlich. Weiterhin zeigte sich eine Abhängigkeit zwischen den meteorologischen Bedingungen und der Homogenität des Ozonverlustes innerhalb eines Winters, sowie der mögliche Einfluss von horizontaler Mischung auf Luftmassen in einem schwach ausgeprägten Polarwirbel. In dieser Arbeit wurde eine positive Korrelation zwischen den über die gesamte Lebensdauer des Wirbels auftretenden möglichen PSC-Flächen und den akkumulierten Ozonverlusten für die elf untersuchten Jahre deutlich. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Ozonverlust von deutlich mehr Einflüssen als nur von der Fläche möglichen PSC Auftretens bestimmt wird, sondern zum Beispiel von der Stärke der Sonneneinstrahlung abhängt. Außerdem lassen sich Auswirkungen von Vulkanausbrüchen, wie zum Beispiel im Jahr 1991 der des Mount Pinatubo, identifizieren.
Die Arbeitsgruppe für Chemie und Physik der Atmosphäre am Institut für Meteorologie und Geophysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt befasst sich unter anderem mit der Entwicklung einer Continous Flow Diffusion Chamber zur Erfassung und Klassifikation von CCN und IN. Diese Partikel besitzen eine Größe im Mikrometerbereich und sind somit nicht leicht zu erfassen und zu unterscheiden. Bei vergleichbaren Versuchen beschränkte sich bisher die automatische Auswertung auf die Anzahl der Partikel. Es gibt noch kein Verfahren, welches eine Klassifikation in CCN und IN videobasiert vornehmen kann. Es lag ebenfalls kein reales Bildmaterial vor, welches zu Testzwecken für die Klassifikation geeignet gewesen wäre. Basierend auf den physikalischen und meteorologischen Grundlagen wurde mittels Raytracing ein künstlicher Bilddatensatz mit kleinen Eiskristallen und Wassertröpfchen unter verschiedenen Betrachtungsverhältnissen erstellt. Anhand dieses Bilddatensatzes wurde dann ein Verfahren zur Klassifikation entwickelt und prototypisch implementiert, welches dies mittels Methoden aus der graphischen Datenverarbeitung und durch Berechnung der Momente vornimmt. Es war notwendig, Verfahren aus der Kameratechnik zu betrachten, die später in der realen Anwendung mit sehr kurzzeitiger Belichtung, geeigneter Optik und hochauflösender CCD-Kamera detaillierte Bilder von Objekten in der Größe von einigen 10µm liefern können.
Die Chemie und der Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre werden durch die nur in relativ geringen Konzentrationen vorhandenen Spurengase und Aerosolpartikel beherrscht. Mit den zunehmenden anthropogenen Emissionen von atmosphärischen Spurengasen, verursacht durch die wachsende Weltbevölkerung und die zunehmende Industrialisierung, wurde in den letzten Dekaden ein globaler Wandel bei der Zusammensetzung der Erdatmosphäre festgestellt: Konzentrationen von atmosphärischen Spurenstoffen verändern sich nicht mehr auf vergleichsweise langsamen geologischen Zeitskalen, sondern mit viel höheren Geschwindigkeiten, in einzelnen Fällen von bis zu einem Prozent pro Jahr. Die wohl bekanntesten Folgen dieser Veränderungen sind die globale Erwärmung durch die ansteigenden Emissionen von Treibhausgasen und der mit dem antarktischen 'Ozonloch" entdeckte drastische Ozonverlust in der Stratosphäre durch anthropogene Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW). Die Verteilung der für Ozonchemie und Klima relevanten Spurengase in der Atmosphäre hängt dabei nicht nur von der Verteilung ihrer Quellen und Senken ab, sondern wird maßgeblich durch verschiedene Transportprozesse beeinflußt. Der Austausch zwischen der mit anthropogenen Emissionen belasteten Troposphäre und den höheren Atmosphärenschichten Stratosphäre und Mesosphäre spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Rahmen der Dissertation wurde zum besseren Verständnis von Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen die Verteilung von langlebigen Spurengasen in den beiden atmosphärischen Kompartimenten Troposphäre und Stratosphäre untersucht. Dazu wurde bei einer Meßkampagne im Sommer 1998 im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojektes STREAM 98 der flugzeuggetragene Gaschromatograph GhOST (Gas chromatograph for the Observation of Stratospheric Tracers) an Bord einer Cessna Citation II der TU Delft in Höhen bis 13 km eingesetzt. Dabei konnten bei zwanzig Meß- und Transferflügen über Kanada, dem Atlantik und Westeuropa umfangreiche Messungen der langlebigen Spurengase N20, F11 und F12 in der oberen Troposphäre und der Untersten Stratosphäre durchgeführt werden. Unter Flugbedingungen wurde mit GhOST während der Kampagne eine Reproduzierbarkeit (1 o) von besser als 0,6 % und eine absolute Genauigkeit von besser als 2 % für alle nachgewiesenen Spurengase erreicht. Diese hohe Meßpräzision konnte durch zahlreiche Vergleichsmessungen mit anderen Meßgeräten und Meßverfahren - im Flugbetrieb und im Labor sichergestellt werden; die Linearität des Geräts wurde zudem mit Hilfe einer barometrisch hergestellten Verdünnungsreihe untersucht. Die mit GhOST bei STREAM 98 gewonnenen Meßwerte wurden zusammen mit Messungen und Modelldaten der am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen zur Untersuchung von Spurengasverteilungen und Stratosphären-Troposphären-Austauschprozessen herangezogen. Untersucht wurden dabei unter anderem die Verteilung und Variabilität von N20, F11 und F12 in der Troposphäre und in der Untersten Stratosphäre der mittleren Breiten, Austausch- und Mischungsprozesse in der Tropopausenregion und die Variabilität von Tracer/Tracer-Korrelationen in der Untersten Stratosphäre. Aufbauend auf den Erfahrungen bei STREAM 98 wurde für das vom BMBF geförderte Projekt SPURT im Rahmen dieser Doktorarbeit der in-situ-Gaschromatograph GhOST II entwickelt. Unter Beibehaltung der gaschromatographischen Komponenten von GhOST wurden zur Messung der Spurengase SF6 und CO zwei zusätzliche Detektoren integriert und zahlreiche technische Verbesserungen durchgeführt. Für die vollautomatische rechnergestützte Elektronik zur Steuerung des neuen Gerätes wurden zusammen mit der institutseigenen Elektronikwerkstatt verschiedene Baugruppen zur Signalführung und -verarbeitung, zur Temperaturmessung und zur Ansteuerung von Leistungskomponenten entwickelt. Während einer Testkampagne im April 2001 wurde GhOST II erfolgreich mechanisch und elektrisch auf einem Learjet 35A integriert und kam bei zwei Meßflügen der Meßkampagne SPURT 1 im November 2001 zum Einsatz.