Untersuchung des aktinischen Flusses in gebirgigem Gelände

Im Rahmen dieses Projektes sollen 3-dimensionale Strahlungseffekte und der Einfluss von Topographie auf den aktinischen Fluss und auf die Photolyse in der unteren Troposphäre im alpinen Gelände erforscht werden. Diese auf Fallstudien beruhende Untersuchung wird sich vor allem mit wolkenlosen Bedingungen befassen. Zwei Untersuchungsmethoden sollen im Rahmen dieser Studie verwendet werden: die erste, eine experimentelle Methode wird auf Messungen des aktinischen Flusses der Bestrahlungsstärke, der Strahldichte und auf Messungen der das Strahlungsfeld beeinflussenden Umgebungsparameter beruhen. Diese Messungen sollen im Rahmen von Kampagnen an zwei verschiedenen Orten, mit zeitlich parallelen Messungen in verschiedenen Seehöhen durchgeführt werden. Die zweite Methode soll auf theoretischen Modellen und Ansätzen beruhen. Zur Untersuchung des aktinischen Flusses und 3 dimensionaler Strahlungseffekte sollen 3-dimensionale Modelle sowie Algorithmen verwendet werden. Diese Modelle und Algorithmen müssen zuerst an das Gelände adaptiert werden. Die experimentellen Messungen werden verwendet um einerseits die Modelleingabeparameter zu bestimmen und um andererseits die Modelle durch Vergleich der gemessenen mit den berechneten Werten des aktinischen Flusses und der Bestrahlungsstärke zu validieren. Mit Hilfe der oben beschriebenen Algorithmen und Modelle sollen Simulationen des aktinischen Flusses und der Photolyserate für typische Topographien und für mögliche Änderungen der atmosphärischen Partikelkonzentration und der atmosphärischen Gase (vor allem Ozon) sowie auch für mögliche Änderungen der Umgebungsparameter (u.a. Schneegrenze und Schneereflexion) durchgeführt werden. Die Daten und die Modelle und Algorithmen werden verwendet werden um die verschiedenen Einflussfaktoren (Albedo, Aerosole, Ozon) auf den aktinischen Fluss zu quantifizieren. Aus den Ergebnissen des Projektes sollen ausserdem Hinweise und Empfehlungen für die Einbeziehung von 3-D Strahlungseffekten in photochemischen Modellen in gebirgigem Gelände abgegeben werden. Diese Studien werden auch neben der Verbesserung von Modellen und Algorithmen wertvolle Informationen für andere mit der UV Problematik verbundene Bereiche (wie z.B. Biologie, Chemie und Medizin) liefern.

Die geografische Verteilung der Sonnenstrahlung und der ultravioletten (UV) Bestrahlungsstärke ist in gebirgigem Gelände sehr inhomogen und komplex. Diese inhomogenität ergibt sich aus den sehr großen Seehöhenunterschieden, den unterschiedlichen Neigungen und Orientierungen der einzelnen Pixel, der sehr inhomogenen Bodenreflexion (zwischen 3 bis 90%) und der Beschattungeffekte, die sich aus der Horizonteinschränkung vor allem in Tälern ergibt. Das Ziel dieses Projektes war ein besseres Verständnis der durch die Topographie und dreidimensionaler (3-D) Strahlungseffekte aufgerufenen Phänomene und Einflüsse auf den aktinischen Fluss (von allen Richtungen einfallender Strahlungsfluss auf ein Luftvolumen) im UV Bereich zu bekommen. Außerdem wurde die Bedeutung dieser Zusammenhänge auf die Photolyserate in der unteren Troposphäre unter alpinen Bedingungen untersucht. Die Untersuchungen wurden im Rahmen von Fallstudien und für wolkenlose Bedingungen durchgeführt. Es wurden zwei Untersuchungsmethoden gewählt: eine experimentelle und eine auf Modellsimulationen beruhende. Der experimentelle Ansatz bestand aus Messungen des aktinischen Flusses, der Bestrahlungsstärke und Messungen zusätzlicher Parameter (Aerosoleigenschaften, Ozonschichtdicke, vertikales Ozon und Aerosolprofil, Schneegrenze....), welche einen Einfluss auf den aktinischen Fluss haben können. Diese Messungen wurden im Rahmen von Messkampagnen im Winter und im Sommer in Innsbruck und Umgebung und in der Region des Observatoriums Sonnblick durchgeführt. Parallele Messungen des aktinischen Flusses wurden erstmals in unterschiedlichen Seehöhen durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes wurden Verbesserungen in Messtechnik auf der einen Seite und Verbesserung in der Modellierung von 3-D Effekten auf der anderen Seite erzielt. Die Verbesserung der Messmethodik wurde im Bereich der Wolkenbeobachtung erzielt, bei der eine automatische Bewölkungsgradbestimmung bei einem Fischaugen Beobachtungssystem entwickelt wurde. Die theoretischen Ansätze zur Bestimmung des aktinischen Flusses und des 3-D Strahlungsfeldes waren 3- D sowie eindimensionale (1-D) Strahlungsmodellierung. Fortschritte wurden bei der Rechenzeit der 3-D Modellierung erzielt, die von mehreren Wochen auf einen oder zwei Tage reduziert wurde. Ausserdem wurde eine Methode zur Lösung des Pixel Diskontinuitätproblems entwickelt. Beide Ansätze (experimentell und Modellorientiert) zeigten eine starke Abhängigkeit der UV-Strahlung, des UV aktinischen Flusses und der Photolyserate von der Seehöhe. Zunahmen der UV-Bestrahlungsstärke und des aktinischen Flusses von bis 100% bzw 200%/1000m oder sogar mehr wurden bei Beschattung in Tälern beobachtet. Neben dem Höheneffekt führte die Topographie durch Beschattung zu besonders hohen inhomogenitäten bei Bestrahlungsstärke, aktinischen Fluss und Photolyserate. Der Einfluss der Bodenreflexion auf diese Grössen war weniger stark und betrug um die 10%.