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Impact of future supersonic aircraft on the distribution of stratospheric tracers: Chemical and dynamical perturbations

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Abstract:

Impact studies of future supersonic aircraft (HSCT) are normally made using two- or three-dimensional chemical transport models (CTM). In this case the calculated ozone profile and column changes result from perturbed efficiencies of the catalytic cycles for O3 depletion (NOx, HOx, Clx, Brx): radical species changes are produced by aircraft emissions of NOx, water vapour and sulphur. On the other hand, steady state accumulation of H2O from HSCT can produce significant anomalies in the lower stratospheric water vapour mixing ratio (about 10% at Northern mid-latitudes). Stratospheric H2O and O3 absorb longwave planetary radiation, so that HSCT driven changes may up-set the residual circulation in the lower stratosphere. In this work results are presented from a climate-chemistry coupled model, taking into account both HSCT driven photochemical changes and also dynamical anomalies produced by perturbed ozone and water vapour accumulation. The major conclusions are the following: (a) H2O accumulation patterns change significantly in the tropical lower stratosphere, with respect to the case with no radiative feedback on circulation of HSCT additional H2O and perturbed O3. The tropopause radiative forcing of this additional water vapour is greatly reduced with respect to the fixed circulation case. (b) Lower stratospheric vertical fluxes of H2O and other atmospheric tracers are significantly affected by water vapour and ozone radiative feedback on the stratospheric circulation. (c) Dynamically driven ozone changes dominate in magnitude over chemically produced ones.

Impaktstudien der zukünftigen Überschallflugzeuge (HSCT) werden für gewöhnlich mit zwei- oder dreidimensionalen chemischen Transportmodellen durchgeführt. In diesem Fall stammen die berechneten Ozonprofile und Veränderungen in der Luftsäule aus gestörten Effizienzen des Katalysezyklus' des Ozonabbaus (NOx, HOx, Clx, Brx): Von den NOx-, Wasser- und Schwefel-Emissionen der Flugzeuge werden Änderungen in den Radikalkonzentrationen hervorgerufen. Andererseits kann die ständige Ansammlung von Wasser durch HSCT signifikante Abweichungen im Wasserdampf-Mischungsverhältnis der unteren Stratosphäre bewirken (etwa 10% in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel). Stratosphärisches H2O und O3 absorbieren langwellige Strahlung, so dass von HSCT angetriebene Veränderungen die Zirkulation der unteren Stratosphäre stören können. In dieser Arbeit werden Ergebnisse eines gekoppelten Klima-Chemie-Modells vorgestellt, die sowohl HSCT-getriebene photochemische Änderungen als auch dynamische Anomalien, die von der gestörten Ozon- und Wasseransammlung stammen, beachten. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind: (a) Die Muster der H2O-Ansammlung verändern sich signifikant in der unteren tropischen Stratosphäre im Vergleich zum Fall ohne Strahlungsrückkopplung auf die Zirkulation durch HSCT hinzugefügtes H2O und gestörtes O3. Der Strahlungsantrieb an der Tropopause, hervorgerufen durch diesen zusätzlichen Wasserdampf, wird im Vergleich zum Fall der fixierten Zirkulation stark reduziert. (b) Die vertikalen Flüsse von H2O und anderen Spurengasen werden signifikant vom Wasserdampf und der Strahlungsrückkopplung des Ozons auf die stratosphärische Zirkulation beeinflusst. (c) Dynamisch angetriebene Ozonveränderungen dominieren in der Größenordnung über die chemisch produzierten.

Keywords:

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1127/0941-2948/2002/0011-0215

Publication date: 2002-05-01

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