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News: Flugzeuge und Ozon

Die Flugzeugabgase beeinflussen in Reiseflughöhe die Konzentrationen der dortigen Spurengase, so auch die Ozonkonzentration. In dieser Höhe um 10 Kilometer ist Ozon ein effektives Treibhausgas, das sehr empfindlich auf Störungen reagiert. Da Flugzeuge hier eine starke, künstliche Quelle für Stickoxide sind, können ihre Abgase bei erheblichem Anstieg des Luftverkehrs in Zukunft ein großer Störfaktor für die chemischen Prozesse der Atmosphäre werden.
Das Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln untersucht unter Leitung von Professor Dr. Adolf Ebel die Wirkung von Flugzeugabgasen auf die Umwelt. In Zusammenarbeit mit anderen Hochschulen und Großforschungseinrichtungen werden im Rahmen des nationalen Projektes STRATFLUT Zusammenhänge zwischen Flugzeugemissionen und chemischen sowie meteorologischen Prozessen erforscht. Grundlage für die Studien sind komplexe Modelle, die seit Jahren am Institut ständig weiter entwickelt werden und die Untersuchung der Zusammenhänge ermöglichen.

Die mittlere Reiseflughöhe der interkontinentalen Flüge liegt bei etwa 10 Kilometer. In dieser Höhe befindet sich ebenfalls die Tropopause, die als "Grenze" zwischen der ozonreichen stratosphärischen Luft und der darunterliegenden ozonarmen troposphärischen Luft wirkt. Da die Höhe der Tropopause täglich variiert, verlaufen die Flüge je nach Wetterlage in der Troposphäre oder der Stratosphäre. In der Stratosphäre bewirkt das Ozon die Absorption von UV-Strahlung und schützt durch diese Filterwirkung das Leben auf der Erde. Am Boden hingegen, wo die Ozonkonzentration z.B. während Sommersmogperioden Spitzenwerte erreicht, kann ozonreiche Luft Mensch und Pflanze schädigen. Das unterschiedliche Verhalten des Ozons in verschiedenen Höhen der Atmosphäre mit unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen erfordert es, in die Untersuchung der Wirkung von Flugzeugabgasen nicht nur die chemischen sondern auch die meteorologischen Prozesse einzubeziehen. So ist es z.B. möglich zu entscheiden, ob ein Flugzeug seine Abgase in die untere Stratosphäre oder in die obere Troposphäre emittiert. Eine Ozonstörung oberhalb der Tropopause ist im allgemeinen längerlebig als unterhalb.

Die Modelle, die für diese Art von Studien entwickelt werden, basieren auf unterschiedlichen Ansätzen. Ein wichtiger Aspekt bei der Wahl eines Modelles ist es, die gewünschte Art und Genauigkeit der Ergebnisse mit den vorhandenen Rechenkapazitäten effizient zu verbinden. Innerhalb des STRATFLUT-Projektes werden daher zwei Richtungen verfolgt. Zum einen wurde ein sogenanntes Boxmodell entwickelt, das eine sehr genaue Berechnung und Analyse der chemischen Reaktionen in der Atmosphäre ermöglicht. Das Modell arbeitet mit einer festen Luftmasse in einer Box, der bestimmte Konzentrationen von Spurengasen als Ausgangszustand vorgeben werden. Dabei können zeitliche Störungen der Konzentrationen durch zusätzliche Einflüsse, wie die Emission von Flugzeugen, berechnet und ausgewertet werden.

Ein weiteres Werkzeug ist das dreidimensionale EURAD-Modellsystem. Mit ihm werden hauptsächlich die Zusammenhänge der Konzentrationsveränderungen mit den verschiedenen Wettereinflüssen über einem größeren Gebiet, vorwiegend dem Nordatlantik untersucht. Dafür muß die Menge der im nordatlantischen Luftkorridor durch Flugzeuge freigesetzten Stickoxide und anderer emittierte Stoffe bestimmt werden.

Die Ergebnisse aus beiden Modellen zeigen, daß die Flugzeugemissionen in der Atmosphäre zusätzliche Ozonproduktion anregen. Die Wirkung der Abgase hängt allerdings von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Flughöhe, der Tages- und Jahreszeit sowie der Konzentration von anderen bereits in der Atmosphäre befindlichen Spurengasen. In der ozonreichen, stratosphärischen Luft sind kurzfristige Einflüsse der Flugzeugemissionen im Hinblick auf die Ozonkonzentration sehr gering. Das zusätzliche Ozon kann sich dort jedoch wegen seiner längeren Verweilzeit akkumulieren. In der Troposphäre hingegen kann sich lokal ein relativer Ozonanstieg zwischen 5 und 10 Prozent ergeben, was etwa einigen ppb Ozon entspricht (ppb: Teilchen pro einer Milliarde Luftmoleküle). Da die Ozonproduktion von der verfügbaren Sonnenstrahlung abhängt, kann im Sommer aus den Flugzeugabgasen mehr Ozon produziert werden als im Winter. Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Untersuchung ist, daß chemische Prozesse in Aerosolen die Wirkung von Flugzeugabgasen nachhaltig beeinflussen. Nach dem derzeitigen Stand der Untersuchungen wird die Ozonproduktion durch Stickoxide aus Flugzeugen in aerosolreicher Luft verstärkt, während das Ozon in der Umgebungsluft gleichzeitig verringert wird. Hier ist allerdings noch großer Forschungsbedarf gegeben.

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