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Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum besseren Verständnis des stratosphärischen Transports. Dieser ist ein wichtiger Parameter im komplexen gekoppelten System der Stratosphäre, das neben dem Transport vor allem von Chemie und Strahlungshaushalt geprägt wird. Neben verschiedenen Modelliertechniken bietet die Messung langlebiger Spurengase das effektivste Werkzeug für Untersuchungen von stratosphärischen Transportprozessen. Daher wurde am Institut für Meteorologie und Geophysik an der Universität Frankfurt ein Instrument zur in-situ-Messung von Spurengasen entwickelt, das sowohl an Stratosphärenballonen als auch auf dem russischen Höhenforschungsflugzeug M-55 "Geophysica" Echtzeitmessungen von Spurengasmischungsverhältnissen durchführen kann. Der "High Altitude Gas Analy- ser" (HAGAR) ist in der Lage, mit einem Zwei-Kanal-Gaschromatographen die Mischungsverhältnisse von N 2 O, F12, F11 und Halon-1211 mit einer Zeitauflösung von 90 s und das von SF 6 alle 45 s zu bestimmen. Ein an die speziellen Gegebenheiten von Stratosphärenmessungen angepasster CO 2 -Sensor der Firma LI-COR erreicht eine Zeitauflösung von ca. 10 s. Im Rahmen dieser Arbeit wurden entscheidende Beiträge zur Entwicklung von HAGAR geleistet. Für die Steuerung des Instruments auf Basis eines Industrie-PCs wurde ein umfangreiches Softwarepaket entwickelt, das die zuverlässige vollautomatische Steuerung des Instruments, sowie eine komfortable Konfigurationsmöglichkeit bietet. Nach einem ersten Ballontestflug am 13.5.1998 wurde das Instrument vollständig neu aufgebaut, um einen Sensor zur Messung von CO 2 zu integrieren. Des Weiteren wurden eine Reihe von Verbesserungen und Anpassungen durchgeführt, die für den Betrieb an Bord der Geophysica notwendig waren. Im Zeitraum von Dezember 1998 bis Oktober 1999 nahm HAGAR an drei Messkampagnen teil. Im Rahmen von APE-ETC ("Airborne Platform for Earth Observation - Extensive Test Campaign") wurde das Instrument erstmals an Bord der Geophysica montiert und eingesetzt. Trotz einer Reihe von kleineren Schwierigkeiten erwies sich das HAGAR-Konzept als gut ge- eignet für den Einsatz an Bord eines Höhenforschungsflugzeugs. So konnten zumindest während drei von sechs Testflügen Daten aufgezeichnet werden. Im Februar/März 1999 war HAGAR Teil der Geophysica-Nutzlast während der Messkampagne APE-THESEO ("Airborne Platform for Earth Observation - The Contribution to the Third European Stratospheric Experiment on Ozone"), die Mahè/Seychellen als Basis nutzte. HAGAR konnte hier während ca. 30 Flugstunden Daten aufnehmen. Dabei konnte ein umfangreicher Datensatz vor allem im Bereich der tropischen Tropopausenregion gewonnen werden. Die Tropen sind von besonderer Bedeutung für den stratosphärischen Transport, unter anderem da hier der Haupteintrag von troposphärischer Luft in die Stratosphäre stattfindet. Der Untersuchung des antarktischen Polarwirbels in der Phase des maximalen Ozonabbaus war die Messkampagne APE-GAIA ("Airborne Polar Experiment - Geophysica Aircraft in Antarctica") gewidmet, die im September und Oktober in Ushuaia/Argentinien stattfand. Als südlichste Stadt der Erde bietet Ushuaia die beste geographische Lage, um den stratosphärischen Polarwirbel mittels Flugzeugmessungen zu untersuchen. HAGAR arbeitete zuverlässig während aller wissenschaftlichen Flüge und einem Testflug in Ushuaia. Zusätzlich konnte während sechs Transferflugetappen zwischen Sevilla und Ushuaia zumindest für einen Teil der Substanzen Daten aufgezeichnet werden. Insgesamt liegen für etwa 60 Flugstunden Daten vor, darunter auch erstmals ein hochaufgelöstes Vertikalprofil im Polarwirbel, dass von über 20 km Höhe bis hinunter zur Tropopausenregion reicht. Für ein neu entwickeltes Messinstrument wie HAGAR ist eine Validierung der Daten sehr wichtig. Da eine direkte Validierung durch parallele Messungen nicht möglich war, musste auf ältere, vergleichbare Datensätze zurückgegriffen werden, die anhand des troposphärischen Trends korrigiert wurden. Als Vergleich dienten Datensätze der in-situ-Gaschromatographen GhOST und ACATS, der kryogenen Luftprobensammler und des CO 2 -Instrumentes der Harvard University. Dabei zeigte sich stets eine gute bis sehr gute quantitative Übereinstimmung der Daten. Auch die Präzision der Messungen, die bereits endgültig ausgewertet wurden, sind sehr zufriedenstellend und zumindest vergleichbar mit denen von "etablierten" Instrumenten. So war die Präzision für N 2 O, F12 und F11 zumeist deutlich besser als 1 %. Für CO 2 konnte die Präzision für APE-GAIA auf 0,15 ppm bzw. 0,05 % verbessert werden. Die Präzision der vorläufigen Daten von Halon-1211 und SF 6 beträgt bisher etwa 5 %. Der im Jahre 1999 von HAGAR aufgenommene Datensatz bietet umfangreiche Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Analyse. Nur exemplarisch sind daher die Punkte zu sehen, die in dieser Arbeit diskutiert werden. Das mittlere Alter der Luft kann als die Zeit beschrieben werden, die die Bestandteile eines Luftpakets im Mittel benötigten, um von der tropischen Tropopausenregion an seine aktuelle Position in der Stratosphäre zu gelangen. Zur Bestimmung des mittleren Alters der Luft werden Messungen von Spurengasen verwendet, die in der Stratosphäre konservativ sind und deren troposphärisches Hintergrundmischungsverhältnis einen zeitlich linear ansteigenden Trend aufweist ("Alterstracer"). HAGAR ist in der Lage, die Mischungsverhältnisse der beiden gebräuchlichsten Alterstracer CO 2 und SF 6 zu messen. Das Alterskonzept bietet eine einfach zu bestimmende Kenngröße für den stratosphärischen Transport, die im Gegensatz zu Mischungsverhältnissen direkt mit Messungen, die zu anderen Zeitpunkten gewonnen wurden, vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass die erreichbare Genauigkeit der Altersbestimmung nicht von der Messgenauigkeit von CO 2 und SF 6 limitiert ist, sondern von der Abweichung der troposphärischen Trends vom (zeitlich linear ansteigenden) Ideal. Insbesondere im Fall von CO 2 wird dies deutlich, wobei die von HAGAR erreichte Messgenauigkeit für eine maximale Unsicherheit in der Altersbestimmung von ca. zwei Monaten ausreichen würde. Neben den saisonalen Schwankungen, die in mittleren Breiten ab ca. 16 km Höhe keine Rolle mehr spielen, sorgen vor allem die jährlichen Schwankungen dafür, dass die Altersbestimmung mit CO 2 momentan kaum besser als mit einem Fehler von etwa 0,7 Jahren durchgeführt werden kann. In den Tropen kann die Messung des CO 2 -Mischungsverhältnisses nicht direkt zur Altersbestimmung herangezogen werden. Durch die starke Vertikalbewegung in den Tropen kann das saisonale CO 2 -Signal im Vertikalprofil beobachtet werden. HAGAR konnte solche Profile während zweier Jahreszeiten (Februar/März bzw. Mitte September) aufzeichnen. Die Tropen sind in der Stratosphäre durch sogenannte Mischbarrieren für den horizontalen Transport gegenüber den mittleren Breiten abgegrenzt. Dies zeigt sich unter anderem in veränderten Tracer-Tracer-Korrelationen. Gealterte Luft aus den mittleren Breiten, die groÿteils bereits einmal die groÿräumige Brewer-Dobson-Zirkulation durchlaufen hat, wird jedoch zu einem geringen Maße erneut in den Bereich der tropischen Aufwärtsströmung eingemischt. Für die Gesamtverweilzeit von langlebigen Spurengasen in der Stratosphäre ist diese Einmischung von besonderer Bedeutung. Während nahezu aller Flüge von APE-THESEO (1° N - 19° S) ergaben die HAGAR- Daten eine kompakte F11-N 2 O-Korrelation; beim letzten Flug, der nur bis 15° S führte, ergaben sich jedoch Datenpunkte, die eher zu einer Korrelation passen, die aus mittleren Breiten bekannt ist. Es ist noch im Detail zu klären, ob hier möglicherweise direkt ein Einmischungsereignis beobachtet wurde. Auch der Polarwirbel ist im Winter von einer effektiven Transportbarriere umgeben. Hier ist eine wichtige Frage, inwieweit Luft aus dem Wirbel in die mittleren Breiten vordringen und dort die chemische Zusammensetzung der Stratosphäre verändern kann. Dieser Luftmassenaustausch findet häufig in Form von sogenannten Filamenten statt, Luftmassen also, die vom Wirbel abgetrennt wurden und sich nun immer länger gezogen vom Wirbelrand wegbewegen. Hochaufgelöste Tracermessungen, wie sie mit HAGAR durch- geführt werden, stellen eine ideales Werkzeug zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abläufe dar. So konnten zahlreiche Strukturen innerhalb und außerhalb des Wirbels untersucht werden, deren Tracermischungsverhältnis darauf hinwies, dass sie jeweils von der anderen Seite des Wirbelrandes stammten. Dabei konnten keine signifikanten Strukturen beobachtet werden, die eine geringere horizontale Ausdehnung als 50 km hatten. Mit dem Ende der vorliegenden Arbeit ist weder die Entwicklung des Instrumentes noch die Interpretation des 1999 gewonnenen Datensatzes abgeschlossen. So ist neben einer neuen Datenerfassung für Temperaturen auch eine Erweiterung von Kanal 1 des Gaschromatographen in Planung. Neben SF 6 soll in Zukunft auch noch CH 4 mit einer Zeitauflösung von etwa 90 s gemessen werden. Zudem soll mit einer verbesserten Druckregelung für den Kessel die Präzision insbesondere der CO 2 -Messungen optimiert werden. Die Präzision der Daten von Halon-1211 sowie SF 6 sind mit 5 % bisher nicht zufriedenstellend. Grund hierfür ist letzlich die Tatsache, dass das Signal-Rausch-Verhältnis für diese beiden Substanzen aufgrund ihrer geringen Mischungsverhältnisse von nur einigen ppt in der Stratosphäre sehr schlecht ist. Aus diesem Grunde wurde eine neue Auswertemethode entwickelt und innerhalb des Softwarepakets zur Datenauswertung (NOAH-Chrom) realisiert. Bei dieser Methode werden die Peaks durch Gauß-Funktionen angenähert. Erste Tests verliefen vielversprechend, zeigen jedoch, dass der Einsatz der Methode noch eine Menge Detailarbeit erfordert. Aus diesem Grunde steht eine vollständige Auswertung des HAGAR-Datensatzes für diese beide Substanzen noch aus; die Methodik ist jedoch im Anhang erläutert. Die in dieser Arbeit dargestellten Analysen sollten als Wegweiser für weitere Untersuchungen und Diskussionen dienen können. So wird insbesondere die Diskussion um die Altersbestimmung wieder aufgenommen werden müssen, wenn sowohl endgültige SF 6 -Daten von HAGAR als auch neue Daten über den aktuellen troposphärischen Trend von SF 6 aus dem NOAA/CMDL- Netzwerk vorliegen. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Untersuchung der Mischung über den Rand des Polarwirbels hinweg bilden, wobei sich insbesondere die Frage nach der Höhenabhängigkeit der Mischung stellt. Hier sind insbesondere auch Modellstudien möglich, denen mit den HAGAR-Daten eine weit präzisere und vor allem höher aufgelöste Eingangsdatenbasis zur Verfügung steht, als sie etwa aus Satellitendaten gewonnen werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei ein Phänomen, das in den HAGAR-Daten, aber auch bereits in einem Datensatz der ER-2 von 1994 zu beobachten ist: So weicht die F11-N 2 O-Korrelation im Bereich des Polarwirbels für F11-Mischungsverhältnisse zwischen 40 ppb und 170 ppb nach unten von der normalen, aus mittleren Breiten bekannten Korrelation ab (vgl. Abbildung 7.5 auf Seite 142). Dies ist möglicherweise auf noch nicht vollständig verstandene Mischungsprozesse zurückzuführen. In jedem Falle ist damit zu rechnen, dass der im Jahre 1999 von HA-GAR an Bord der Geophysica aufgezeichnete umfangreiche Datensatz weitere Schritte hin zu einem differenzierteren Verständnis des stratosphärischen Transportes einleiten wird.

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.

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.

In der hier vorliegenden Arbeit wurde der troposphärische Kreislauf von Carbonylsulfid (COS) untersucht. COS ist ein Quellgas des stratosphärischen Sulfat­Aerosols, das die Strahlungsbilanz beeinflussen und den chemischen Abbau des stratosphärischen Ozons beschleunigen kann. Trotz zahlreicher Studien sind die Quellen und Senken des atmosphärischen COS bisher nur unzulänglich quantifiziert. Insbesondere bestehen große Unsicherheiten in den Abschätzungen der Beiträge des Ozeans und der anthropogenen Quellen, sowie der Senkenstärke der Landvegetation. Schiffs­ und flugzeuggetragene Messungen des atmosphärischen COS ergaben kein einheitliches interhemisphärisches Verhältnis (IHR=MNH /M SH ). Während die Messungen von Bingemer et al. (1990), Staubes­Diederich (1992) und Johnson et al. (1993) ein IHR zwischen 1.10 und 1.25 zeigten, fanden die Messungen von Torres et al. (1980), Staubes­Diederich (1992), Weiss et al. (1995) und Thornton et al. (1996) keinen oder nur einen geringfügigen N/S­Gradienten. Die Untersuchung von Chin und Davis (1993) zeigt ein N/S­Verhältnis der COS­ Quellstärke von 2.3, das hauptsächlich auf die stärkeren anthropogenen Quellen auf der Nordhalbkugel zurückzuführen ist. Es ist unklar, ob der zeitweilige Konzentrationsüberschuß der Nordhemisphäre Zeichen anthropogener Quellen dort oder Teil eines durch die Senkenfunktion der Landpflanzen verursachten saisonalen Signals ist. Die Konsistenz der Breitenverteilung des COS­Mischungsverhältnisses mit den geographischen bzw. saisonalen Variationen der COS­Quellen und ­Senken muß überprüft werden. Dazu werden genaue Kenntnissen der Quell­ und Senkenstärken des atmosphärischen COS und ihrer raumzeitlichen Variabilität benötigt. Vor dem obigen Hintergrund ergeben sich als Schwerpunkte dieser Arbeit: (1) der Austausch von COS zwischen Atmosphäre und Ozean sowie (2) zwischen Atmosphäre und terrestrischer Vegetation und (3) die raumzeitliche Variabilität des atmosphärischen COS. Zur Untersuchung des Austausches von COS zwischen Atmosphäre und Ozean wurde das Konzentrations­Ungleichgewicht von COS zwischen Ozean und Atmosphäre durch Messungen des COS im Seewasser und in der Meeresluft ermittelt und die resultierenden Austauschflüsse mit einem Modell berechnet. Die Messungen fanden an Bord des Forschungsschiffs Polarstern während der Fahrten ANT/XV­1 (15.10.­6.11.1997, Bremerhaven­Kapstadt) und ANT /XV­5 (26.5.­6.20.1998, Kapstadt­Bremerhaven) statt. Die Konzentration des gelösten COS und das Sättigungsverhältnis von COS zwischen Ozean und Atmosphäre zeigen ausgeprägte Tagesgänge und saisonale und geographische Variationen. Die mittlere Konzentration von COS im Seewasser beträgt 14.7 pmol L -1 für die Herbst­Fahrt bzw. 18.1 pmol L -1 für die Sommer­Fahrt. Höchste COS­Konzentrationen werden in der jeweiligen Sommer­Hemisphäre und in Gebieten mit hoher biologischer Produktivität beobachtet, d.h. im Benguela­Strom im November, im Nordost­Atlantik im Juni und in den Auftriebgebieten vor Westafrika im Oktober bzw. Juni. In den übrigen Gebieten sind die Konzentrationen um eine Größenordnung niedriger. Die Konzentration von COS im Seewasser steigt frühmorgens von ihrem tiefsten Stand an. Um ca. 15 Uhr Ortszeit erreicht sie ihr Maximum, danach nimmt sie ab. Der Tagesgang unterstützt die Theorie, daß COS im Seewasser photochemisch produziert wird. Während der Tagesstunden wird eine Übersättigung des offenen Ozean für COS gefunden. Dagegen ist eine Untersättigung des Ozeans in den späten Nachtstunden zu beobachten. Der Ozean wirkt in den Tagesstunden als COS­Quelle, in der späten Nacht als COS­Senke. Die Untersättigung tritt sogar im Sommer in produktiven Meeresgebieten regelmäßig auf. Eine Konsequenz dieser Beobachtung ist die weitere Reduzierung der ozeanischen Quelle von COS gegenüber bisher publizierten Abschätzungen. Methylmercaptan (CH 3 SH) ist in allen Seewasserproben zu beobachten. Der Tagesmittelwert der CH 3 SH­Konzentration variiert zwischen 29 und 303 pm L -1 und ist 3­16 fach größer als der der COS­Konzentration. Der Tagesgang der CH 3 SH­Konzentration zeigt ein Minimum um die Mittagszeit. Die Tagesmittel der CH 3 SH­ und COS­Konzentrationen sind signifikant miteinander korreliert. Diese Daten liefern den Beweis dafür, daß CH 3 SH eine der wichtigen Vorgängersubstanzen von COS ist. Die Regressionslinie der Korrelation zwischen den mittleren COS­ und CH 3 SH­Konzentrationen weist nur einen geringfügigen Achsenabschnitt auf. Somit kann die CH 3 SH­Konzentration als ein Indikator der Konzentration von COS­Vorgängern benutzt werden. Es besteht außerdem eine Korrelation zwischen der CH 3 SH­Konzentration und dem Logarithmus der Konzentration des gelösten Chlorophyll a. Diese Korrelation deutet darauf hin, daß der Gehalt von CH 3 SH im Seewasser eine enge Beziehung zur marinen Primärproduktion hat. COS wird im Seewasser durch Hydrolyse abgebaut. Die Abbaurate hängt von der Temperatur des Seewassers ab. Je wärmer das Seewasser ist, desto schneller wird COS abgebaut, und um so kürzer ist die Lebenszeit von COS im Seewasser. Die Lebenszeit kann einerseits durch das Reaktionsgeschwindigkeits­Gesetz von Arrhenius berechnet werden, andererseits läßt sie sich durch exponentielle Anpassung an den nächtlichen Konzentrationsverlauf (d.h. bei Abwesenheit von Photoproduktion) abschätzen. Eine solche Anpassung des exponentiellen Abklingens wurde anhand von dicht gestaffelten Messungen während einiger Nächte vorgenommen. Die gefitteten Lebenszeiten stimmen mit den theoretischen Werten gut überein, obwohl die gefittete Lebenszeit neben Hydrolyse noch von anderen Prozessen (z.B. Transport nach unten, Air­Sea­Austausch, usw.) beeinflußt wird. Diese gute Übereinstimmung unterstützt die Aussage, daß die Hydrolyse eine bedeutende Rolle beim Abbau von COS im Seewasser spielt. Die berechnete Hydrolyse­Lebenszeit ist mit dem Tagesmittel der COS­Konzentration korreliert. Da die Tagesmittelwerte sowohl zeitliche wie auch räumliche Mittelwerte der COS­Konzentrationen darstellen, zeigt diese Korrelation, daß Hydrolyse eine bedeutende Rolle in der raumzeitlichen Variabilität der COS­Konzentration einnimmt. Da die Konzentration des gelösten COS von mehreren Faktoren abhängig ist, scheint eine multivariable Betrachtung sinnvoll. Hierfür wurde eine "Multiple Linear Regression Analysis'' (MLRA) ausgeführt. Diese Analyse ergibt ein empirisches Modell der folgenden Form für die Berechnung des Tagesmittels der COS­Konzentration: [COS] = 1.8# 13log[Chl] - 1.5W s 0.057G - 0.73, mit [COS] = mittlere Konzentration von COS in pmol L -1 # = Hydrolyse­Lebenszeit in Stunde [Chl] = mittlere Konzentration von Chlorophyll a in mg m -3 W s = Windgeschwindigkeit in m s -1 G = Intensität der Globalstrahlung in W m -2 . Die Parameter auf der rechten Seite der Gleichung können direkt oder indirekt von Satelliten aus gemessen werden, deshalb kann dieses Modell für die Abschätzung der Konzentration von COS im Seewasser anhand von Satelliten­ Daten verwendet werden. Das empirische Modell soll noch durch weitere Messungen bestätigt bzw. verbessert werden. Der Austauschfluß von COS zwischen der Atmosphäre und dem offenen Ozean wurde mit dem Air­Sea­Fluß­Modell von Liss and Slater (1974) zusammen mit dem Modell von Erickson (1993) f

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.