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Ozonmessungen

MeteoSchweiz überwacht mit verschiedenen Messgeräten die Ozonmengen in der Atmosphäre über der Schweiz. Dies ist wichtig, weil die Ozonschicht in der Stratosphäre einen grossen Teil der schädlichen solaren UV-Strahlung herausfiltert.

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MeteoSchweiz verwendet verschiedene Methoden zur Ozonmessung, mit denen unterschiedliche räumliche und zeitliche Ebenen abgedeckt werden können. In Arosa messen Spektrophotometer die Durchlässigkeit der Atmosphäre für ultraviolette Sonnenstrahlung in verschiedenen Wellenlängen und berechnen daraus den Gesamtozongehalt in der Luftsäule. In Payerne wird das Ozonprofil direkt mittels Radiosondierungen erfasst. Ebenfalls in Payerne ist ein Mikrowellen-Radiometer im Einsatz, mit welchem die stratosphärische und mesosphärische Ozonkonzentration zwischen 20 und 70 km bestimmt wird.

Messung der Ozonsäule

Die Spektrophotometer basieren auf der Messung der Strahlungsabsorption im Bereich des UV-Lichts (300-330 nm) und erlauben es, die totale Ozonmenge zu messen, die in der Atmosphärensäule über der Messstation enthalten ist. In Arosa beispielsweise kommen die beiden unterschiedlichen Gerätetypen Dobson und Brewer zum Einsatz.

Das Dobson-Spektrophotometer misst die differentielle Intensität von Wellenlängenpaaren, wovon während des Durchquerens der Atmosphäre die eine schwach und die andere stark absorbiert wird. Daraus lässt sich die totale Ozonmenge ableiten. Um störende Effekte auszublenden, werden drei verschiedene Wellenlängenpaare gemessen und kombiniert. Die Überwachung der einzelnen Prozessschritte zur automatischen Messung der Ozonsäule ist computergesteuert (siehe Abbildung). Die in Arosa schon vor geraumer Zeit gestarteten Messreihen basieren auf diesem Messgerättyp.

Das Brewer-Spektrophotometer misst die absolute Intensität der Sonneneinstrahlung für vier Wellenlängen im Bereich von 310 bis 320 nm. Aus der gewichteten Summe dieser Messungen lässt sich die Ozonmenge ableiten. Dieses Gerät funktioniert automatisch und sehr zuverlässig; es ist seit über 35 Jahren in Arosa im Einsatz.

Messung des Ozonprofils mittels Radiosonde

Dreimal pro Woche misst MeteoSchweiz das Ozonprofil mit einer Ballonsonde. Die Ozonsonde basiert auf der chemischen Reaktion der Ozonmoleküle (O3) mit Kaliumiodid (KI), das in den kleinen, weissen Kapseln enthalten ist. Die Luft wird ins Innere des Gehäuses gepumpt und dann in die Kapsel geführt, die eine wässrige Kaliumiodidlösung enthält. Gemäss dem Prinzip einer elektrochemischen Zelle kann die Ozonmenge in der Luft anhand der elektrischen Spannung zwischen zwei Elektroden gemessen werden. Dieses Gerät ist genügend leicht für den Aufstieg mit einem Wetterballon. Dies erlaubt eine präzise In-situ-Messung des Ozonprofils vom Boden bis zu einer Höhe von 30-35 km.

Messung des Ozonprofils durch Spektrophotometrie

Die Dobson und Brewer Sektrophotometer können bei schönem Wetter während des Sonnenauf- und -untergangs auch Höhenprofile der Ozonverteilung bestimmen. Die Änderung im Verhältnis der Intensität zweier Wellenlängen (eine stark und eine schwach von Ozon absorbierte) in Funktion des Sonnenstands erlaubt die Bestimmung von Ozonprofilen vom Boden bis 50 km mit einer Auflösung von 5-10 km (Umkehr-Methode). Die Messreihe von Umkehr-Ozonprofilen in Arosa/Davos begann bereits 1956 und ist somit die längste der Welt.

Messung des Ozonprofils durch Mikrowellenradiometrie

Das Mikrowellenradiometer SOMORA (Stratospheric Ozone Monitoring Radiometer) misst Ozonprofile mittels Fernerkundung. Damit kann die Ozonkonzentration in der Stratosphäre und der unteren Mesosphäre mit einer vertikalen Auflösung von 8 bis 15 km bei einer zeitlichen Auflösung von 60 Minuten bestimmt werden. Dieses Instrument war ursprünglich vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bern entwickelt worden und ist seit Januar 2000 ohne Unterbrechung in Payerne im Einsatz. MeteoSchweiz stellt diese Messdaten auch dem Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC) zur Verfügung, das die atmosphärische Zusammensetzng und deren Veränderungen überwacht.

Die vertikale Ozonverteilung in der Stratosphäre und unteren Mesosphäre wird anhand der Messung der Emissionslinie des Ozonmoleküls bei 142.17 GHz bestimmt. Die Intensität dieser Linie ist proportional zur Ozonkonzentration, die spektrale Breite entsteht durch den Umgebungsdruck am Ort der Emission und gibt damit Auskunft über die Höhe. Die Ozonmenge wird als den Anteil Ozonmoleküle pro Luftvolumen angegeben. Die 24 täglichen Ozonprofile aneinandergehängt ergeben eine lange Zeitreihe, in welcher die jährlichen Schwankungen der Ozonkonzentration auf verschiedenen Höhen gut erkennbar sind.

Gesamtozon

Stübi, R., Schill, H., Klausen, J., Maillard Barras, E., and Haefele, A.: A fully automated Dobson sun spectrophotometer for total column ozone and Umkehr measurements, Atmos. Meas. Tech., 14, 5757–5769, https://doi.org/10.5194/amt-14-5757-2021, 2021.

Zhao, X., Fioletov, V., Redondas, A., Gröbner, J., Egli, L., Zeilinger, F., López-Solano, J., Arroyo, A. B., Kerr, J., Maillard Barras, E., Smit, H., Brohart, M., Sit, R., Ogyu, A., Abboud, I., and Lee, S. C.: The site-specific primary calibration conditions for the Brewer spectrophotometer, Atmos. Meas. Tech., 16, 2273–2295, https://doi.org/10.5194/amt-16-2273-2023, 2023.

Ozon-Radiosondierung

Stauffer, R. M., Thompson, A. M., Kollonige, D. E., Tarasick, D. W., Van Malderen, R., Smit, H. G. J., et al. (2022). An examination of the recent stability of ozonesonde global network data. Earth and Space Science, 9, e2022EA002459, https://doi.org/10.1029/2022EA002459.

Jeannet, P., R. Stu¨bi, G. Levrat, P. Viatte, and J. Staehelin (2007), Ozone balloon soundings at Payerne (Switzerland): Reevaluation of the time series 1967–2002 and trend analysis, J. Geophys. Res., 112, D11302, doi:10.1029/2005JD006862.

Umkehr

Maillard Barras, E., Haefele, A., Stübi, R., Jouberton, A., Schill, H. Petropavlovskikh, I., Miyagawa, K., Stanek, M., Froidevaux, L., Dynamical linear modeling estimates of long-term ozone trends from homogenized Dobson Umkehr profiles at Arosa/Davos, Switzerland, https://doi.org/10.5194/acp-22-14283-2022, 2022.

SOMORA

Maillard Barras, E., Haefele, A., Nguyen, L., Tummon, F., Ball, W. T., Rozanov, E. V., Rüfenacht, R., Hocke, K., Bernet, L., Kämpfer, N., Nedoluha, G., and Boyd, I.: Study of the dependence of stratospheric ozone long-term trends on local solar time, Atmos. Chem. Phys., https://doi.org/10.5194/acp-20-8453-2020, 2020.

Sauvageat, E., Maillard Barras, E., Hocke, K., Haefele, A., and Murk, A.: Harmonized retrieval of middle atmospheric ozone from two microwave radiometers in Switzerland, Atmos. Meas. Tech., 15, 6395–6417, https://doi.org/10.5194/amt-15-6395-2022, 2022.