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Abstract

Halogene wie Chlor und Brom sind signifikant an stratosphärischen Ozonabbauprozessen beteiligt. Dabei ist die Bromkonzentration in der Stratosphäre zwar etwa 167-fach geringer als die Konzentration von Chlor, Brom ist pro Atom jedoch 60-65 mal effizienter im Abbau von Ozon. Obwohl seit Ende der 90-er Jahre eine Abnahme von (anorganischem) stratosphärischem Brom beobachtet wird, trägt es aktuellsten Studien zufolge zu einem globalen Ozonverlust von etwa 1/3 bei. In der unteren Stratosphäre der niedrigen Breiten kann es sogar bis zu 50% des Ozonverlusts verursachen. In dieser Arbeit wird das stratosphärische Bromsystem anhand ballongestützter Himmelsstreulichtmessungen von Brommonoxid (BrO) unter Verwendung der Differentiellen Optischen Absorptionsspektroskopie (DOAS) Methode analysiert. Dabei ermöglichen Strahlungstransportrekonstruktionen in Kombination mit Inversionsverfahren und Simulationen des dreidimensionalen chemischen Transportmodells SLIMCAT die Ableitung von BrO Konzentrationen als Funktion der Höhe. Für die im Spätsommer 2014 analysierte fünf Jahre alte Luft der mittleren Breiten lässt sich daraus das anorganische stratosphärische Brom (Bry) bzw. das gesamte Brom in der Stratosphäre zu 21.4 ± 4.8 ppt bestimmen. Weitere Untersuchungen befassen sich mit dem photochemischen Tagesgang des Bromsystems. Hierzu werden BrO DOAS Messungen mit Modellstudien eines eindimensionalen photochemischen Modells verglichen, um die Umwandlung von BrO in das nächtliche Reservoirgas Bromnitrat (BrONO2) sowie dessen Rückreaktion anhand der Reaktionsrate kBrO+NO2 respektive der Photolyserate J(BrONO2) zu quantifizieren. Die Ergebnisse weisen dabei ein 1.5 (+0.8 − 0.4) mal größeres J(BrONO2)/kBrO+NO2 Verhältnis auf, als es mit photochemischen Parametern der aktuellsten Jet Propulsion Laboratory (JPL)-Zusammenstellung erwartet wird. Diese Beobachtungen implizieren eine Verschiebung der Zusammensetzung im Bromsystem zu mehr BrO bzw. weniger BrONO2.

Translation of abstract (English)

Halogens such as chlorine and bromine are a important control on stratospheric ozone depletion processes. Although the bromine concentration is about 167 times smaller than the concentration of chlorine in the stratosphere, bromine is of particular interest due to its 60-65 times larger peratom efficiency in depleting ozone. Even though a decrease in (inorganic) stratospheric bromine is observed since the late 90s, most recent studies suggest a contribution to global ozone loss of about 1/3. However, in the lower stratosphere of low latitudes, it can even cause up to 50% of ozone loss. In this thesis, the stratospheric bromine system is analysed by balloon-borne scattered skylight measurements of bromine monoxide (BrO) using the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) method. Radiative transfer modelling in combination with inversion methods and simulations of the three-dimensional chemical transport model SLIMCAT allow for the retrieval of BrO concentrations as a function of altitude. The inorganic stratospheric bromine (Bry) or rather the total bromine in the stratosphere is estimated to be 21.4±4.8 ppt for the five-year-old mid-latitude air probed in late summer 2014. Further investigations address the photochemical diurnal cycle of the bromine system. To this end, BrO DOAS measurements are compared to one-dimensional photochemical model simulations. This allows to analyse the conversion of BrO into the night-time reservoir gas bromine nitrate (BrONO2) and its back reaction by the reaction rate kBrO+NO2 and the photolysis rate J(BrONO2), respectively. The results show a 1.5 (+0.8 − 0.4) times larger J(BrONO2)/kBrO+NO2 ratio than expected with photochemical parameters of the most recent Jet Propulsion Laboratory (JPL) compilation. These observations imply a shift of the partitioning to more BrO and less BrONO2 in the bromine system.