 | Bier A. Einfluss von Russpartikelemissionen auf die Eiskristallbildung, Eigenschaften, Lebenszyklen und Klimawirkung von Kondensstreifenzirren: Diss. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen. - Köln: DLR, 2018. - IV, 125 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2018-05). - Res auch engl. - Literaturverz.: S.117-123. - ISSN 1434-8454
Шифр: (Pr 1120/2018-05) 02
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1 Einleitung ................................................. 1
1.1 Einführung und Motivation .................................. 1
1.2 Mitigationsmaßnahmen ....................................... 2
1.3 Zielstellungen ............................................. 4
1.4 Gliederung der Arbeit ...................................... 5
2 Stand des Wissens .......................................... 6
2.1 Eisübersättigung ........................................... 6
2.2 Natürliche Zirren .......................................... 9
2.2.1 Eisnukleation ....................................... 9
2.2.2 Entstehung natürlicher Zirren ....................... 9
2.3 Physik von Kondensstreifenzirren .......................... 10
2.3.1 Entstehung von Kondensstreifen ..................... 10
2.3.2 Lebenszyklus und wichtige Prozesse ................. 12
2.3.3 Messungen und Beobachtungen ........................ 13
2.3.4 Simulationen ....................................... 16
2.4 Einfluss von alternativen Treibstoffen .................... 19
2.4.1 Messungen .......................................... 19
2.4.2 Boxmodellstudie .................................... 20
3 Klimamodell und Methoden .................................. 23
3.1 Das Klimamodell ECHAM5 .................................... 23
3.1.1 Allgemeines ........................................ 23
3.1.2 Schema natürlicher Wolken .......................... 24
3.1.3 Schema der Strahlung ............................... 26
3.1.4 Aerosolmodul ECHAM5-HAM ............................ 26
3.2 Parametrisierung der Kondensstreifenzirren ................ 27
3.2.1 Potenzieller Bedeckungsgrad ........................ 28
3.2.2 Bedeckungsgrad und Volumen ......................... 28
3.2.3 Initialisierung der Größen ......................... 29
3.2.4 Scherung ........................................... 29
3.2.5 Diffusion .......................................... 30
3.2.6 Sedimentation ...................................... 30
3.2.7 Deposition und Sublimation ......................... 31
3.3 Lebenszyklenstudien ....................................... 31
3.3.1 Idealisiertes Experiment ........................... 31
3.3.2 Diagnostiken für die Lebenszyklen .................. 32
3.4 Parametrisierung der Eiskristallbildung ................... 35
3.4.1 Thermodynamisches Bildungskriterium ................ 35
3.4.2 Aktivierungsrelaxationsansatz ...................... 36
3.4.3 Zeitpunkt der Aktivierungsrelaxation ............... 39
3.4.4 Sensitivitätsstudien zur Eiskristallbildung ....... 40
3.5 Globale Simulationen ...................................... 41
3.5.1 Initialisierung für ECHAM5-CCMod ................... 41
3.5.2 übersicht über die Simulationen .................... 41
3.6 Evaluierung ............................................... 43
4 Lebenszyklen von Kondensstreifenzirren-Clustern ........... 44
4.1 Entwicklung eines langlebigen Kondensstreifenzirren-
Clusters .................................................. 45
4.1.1 Lebenszyklus für hohe anfängliche
Eiskristallanzahl .................................. 45
4.1.2 Einfluss der reduzierten anfänglichen
Eiskristallanzahl .................................. 47
4.1.3 Einfluss eines höheren Flugverkehrslevels .......... 49
4.2 Lebenszyklus in Abhängigkeit von der synoptischen
Situation ................................................. 49
4.2.1 Dynamisch kontrollierter Lebenszyklus .............. 51
4.2.2 Variabilität im Sedimentationsverlust .............. 51
4.2.3 Volumen ............................................ 53
4.2.4 Totale Extinktion .................................. 56
4.2.5 Entwicklungspotenzial von Kondensstreifenzirren .... 57
4.2.6 änderung der Lebensdauer ........................... 58
4.3 Sensitivität gegenüber Höhenlevel und der Jahreszeit ...... 58
4.3.1 Höherer Flugverkehrslevel .......................... 58
4.3.2 Sommer versus Winter ............................... 59
4.4 Statistische Analysen zu den Lebenszyklen ................. 60
4.4.1 Häufigkeit von synoptischen Situationen ............ 60
4.4.2 Mittlere Strahlungswirkung ......................... 62
4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse ............................ 64
4.6 Diskussion ................................................ 65
5 Globale Eigenschaften und Klimawirkung von
Kondensstreifenzirren ..................................... 68
5.1 Senstivitätsstudien zur Eiskristallbildung von
Kondensstreifen ........................................... 68
5.1.1 Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ........... 69
5.1.2 Abhängigkeit vom Atmosphärendruck .................. 71
5.1.3 Höhenabhängigkeit unter Annahme einer
Standardatmosphäre ................................. 71
5.2 Globale Simulationsergebnisse ............................. 74
5.2.1 Eiskristallbildung bei aktuellen
Rußpartikelemissionen .............................. 74
5.2.2 Einfluss der Parametrisierung der anfänglichen
Eiskristallanzahl .................................. 77
5.2.3 Einfluss von reduzierten Rußpartikelemissionen ..... 85
5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse ............................ 92
5.4 Diskussion ................................................ 93
6 Zusammenfassung und Ausblick .............................. 96
A Natürliche Zirren ........................................ 100
A.l Klassiche Nukleationsparametrisierung .................... 100
A.2 Nukleation bei praexisitierendem Eis ..................... 101
В Lebenszyklen von Kondensstreifenzirren-Clustern .......... 102
B.l änderung der Flughöhe und der Jahreszeit ................. 102
B.1.1 Höherer Flugverkehrslevel ......................... 102
B.l.2 Sommer versus Winter .............................. 103
B.2 Variation der anfanglichen Eiskristallanzahl ............. 105
B.2.1 Reduktion der Eiskristallanzahl um 50% ............ 105
В.2.2 Totale Extinktion in Abhängigkeit von der
anfänglichen Eiskristallanzahl .................... 106
С Eiskristallbildung von Kondensstreifen ................... 109
C.l Aerosolpartikelspektren im Abgasstrahl ................... 109
Abbildungsverzeichnis ......................................... 111
Tabellenverzeichnis ........................................... 113
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