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Investigation of Inorganic Stratospheric Bromine using Balloon-Borne DOAS Measurements and Model Simulations

Dorf, Marcel

German Title: Untersuchung des Anorganischen Stratosphärischen Bromgehalts mittels DOAS Ballonmessungen und Modellrechnungen

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Abstract

Inorganic bromine is the second most important halogen effecting stratospheric ozone [WMO2003]. Although the concentration of bromine in the stratosphere is about two orders of magnitude lower than the concentration of chlorine, it currently contributes about 25% to global ozone loss due to its much greater ozone depletion efficiency (factor of around 45) compared to chlorine. In this study, stratospheric balloon-borne DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) measurements of bromine-monoxide (BrO) were analysed and interpreted using the 3-D CTM (Chemical Transport Model) SLIMCAT [Chipperfield98] and a 1-D photochemical model. Photochemical changes were calculated along air mass trajectories which match the balloon data with SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) satellite observations in order to produce a set of BrO profiles suitable for SCIAMACHY validation. Furthermore, DOAS BrO observations were used to infer the trend of total inorganic stratospheric bromine, which peaked around 1998 at (21+-3) pptv and is consistently 3.5 to 5 pptv higher than the known trend in organic bromine precursors (halons and methyl bromide) can account for. This discrepancy, the non-zero amount of inorganic bromine observed around the tropopause and the rapid increase above the tropopause, all indicate that short-lived organic bromine source gases have to be taken into account. These results were confirmed by comparing the DOAS BrO data with different SLIMCAT model runs. Moreover, previous discrepancies between DOAS OClO measurements and model comparisons [Fitzenberger00b] were removed and detailed model studies were used to investigate ozone loss on specific days and the consistency of the known stratospheric photochemistry.

Translation of abstract (German)

Anorganische Bromverbindungen sind die zweitwichtigsten Halogenverbindungen für den stratosphärischen Ozonabbau [WMO2003]. Obwohl die Bromkonzentration in der Stratosphäre fast zwei Größenordnungen kleiner als die Chlorkonzentration ist, trägt Brom zur Zeit mit ca. 25% zum weltweiten Ozonverlust bei, da es eine größere Effizienz im Zerstören von Ozone hat (ca. 45 mal so groß) als Chlor. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit stratosphärischen DOAS (Differentielle Optische Absorptions Spektroskopie) Ballonmessungen von Brommonoxid (BrO). Diese wurden mit Hilfe des dreidimensionalen Chemischen Transport Modells SLIMCAT [Chipperfield98] und eines eindimensionalen photochemischen Modells interpretiert. Um die Ballonmessungen mit SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) Satellitenmessungen vergleichen zu können, wurden die photochemischen Änderungen entlang Luftmassentrajektorien berechnet, und es wurde ein Satz an BrO Profilen erzeugt, der zur Validierung von SCIAMACHY geeignet ist. Darüberhinaus wurden DOAS BrO Messungen dazu verwendet, den Trend des anorganischen Gesamtbromgehalts in der Stratosphäre zu bestimmen, welches 1998 mit (21+-3) pptv seinen Maximalwert erreichte und durchweg 3.5 bis 5 pptv größer ist als der bekannte Trend der bromierten organischen Vorläufersubstanzen (Halone und Methylbromid) es erwarten läßt. Diese Diskrepanz, zusammen mit dem beobachteten nicht verschwindenden Anteil an anorganischem Brom an der Tropopause und dem raschen Anstieg darüber, deuten an, daß kurzlebige bromierte organische Quellgase berücksichtigt werden müssen, was auch durch Vergleiche mit verschiedenen SLIMCAT Modelläufen bestätigt wurde. Weiterhin konnten bisher bestehende Unterschiede zwischen DOAS OClO Messungen and Modellvergleichen [Fitzenberger00b] beseitigt werden. Die Konsistenz der bekannten stratosphärischen Photochemie wurde mit detaillierte Modellrechnungen überprüft und der Ozonverlust an einzelnen Tagen berechnet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pfeilsticker, Prof. Dr. Klaus
Date of thesis defense: 21. December 2005
Date Deposited: 31. Jan 2006 12:05
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Atmosphäre / Chemie, Stratosphären-Ballon, Ozonloch, Montrealer Protokoll über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen, Bromoxide
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