58. Jg., Heft 11, 1971 P. Fabian et al. : Transport- und Austauschvorggmge in der Atmosph~ire 541

plateau is followed by an increase in A, T~ad, B~_o.6_0.7~,, maximum and a decrease of T~. Slopes exposed to the south are characterized by increasing T~d, whereas the values of T~ remain at the same level. The presence of sporadic clouds (force 2-5) increases A and decreases Trod, but only slightly affects T~. Thicker vegetation is characterized by a decrease in B~ and the presence of B~ maxima at 2 = 0.5-0.6 Fm and 2 ~ 0.8 ~m. I t should be noted in conclusion that every method of remote sensing gives specific but limited and often insufficiently reliable information about the state of the Earth's surface, ocean and the atmosphere. Only combined application of a complex of methods for recording the electromagnetic field of the Earth in different spectral regions, which correct and supple- ment one another, enables sufficiently reliable, comprehensive and detailed information on the natural environment to be obtained by remote sensing. It goes without saying that the present paper is only an illustration of the available possibilities. A practical solution of the problem is only feasible on the basis of the method of statistical analysis of complex radiation data using, in particular, the method of multiple correlation.

[11 Vinogradov, B. V., Kondratyev, K. Ya.: Vestnik USSR Acad. Sci. 12, 53 ( 1 9 6 9 ) . - E2] iKondratyev, K. Ya., Kroshkin, M. G., Morachevsky, V. G.: Our Planet from Space, Gidro- meteoizdat (t964). - - E31 Kondratyev, K. Ya., Smokty, O. I. : Pure Appl. Geophys. 72, 227 ( 1 9 6 9 ) . - E4] Kondratyev, K. Ya., et al.: Doklady USSR Acad. Sci. 191, 824 ( t 9 7 0 ) . - Kondra- tyev, IK. Ya., et al.: Izvest. USSR Acad. Sci., Physics Arm. Ocean 6, 388 (1970). - - [61 Rosenberg, G. V., Nikolayeva- Tereshkova, V.V. : ibid. 1, 386 ( 1 9 6 5 ) . - ET] Roach, F. E., et al.: Gemini Midprogram Conf. Including Exp. Results, p. 315. Manned Spacecraft Center, Houston, Texas, NASA Publ. ( 1 9 6 6 ) . - ES] Feoktistov, l~. P., e ta l . : Investigations of Outer Space, p. 62. "Nauka" , Moscow (1965). --- [9] Kondratyev, K. Ya., et al.: Doklady USSR Acad. Sci. 190, 327 (1970). - - EI0} Elterman, L.: Air Force Cambridge Res. Center 68-0153. Environ. Res. Paper No. 285 (1968). - - ~llj iKondratyev, K. Ya., e ta l . : Doklady USSR Acad. Sci. 191, 1044 ( t 9 7 0 ) . - - ~_t2~ Smokty, O. I,: Izvest. USSR Acad. Sci., Physics Arm. Ocean 5, 46 (t969). - - Et3~ Mateer, C. L., e ta l . : NCARms No. 465, Boulder, Colo. (t968). - - [14~ Kondratyev, K. Ya., et al.: Doklady USSR Acad. Sci. 196, 1333 (1971). - - EIS] Kondratyev, K. Ya., Vassilyev, O. B., Sevastyanov, V. I.: ibid. 198, 271 ( 1 9 7 I ) . - rt6] Sevastyanov, V. I.: Vestnik USSR Acad. Sci. 12, 31 (1970). - - [t71 iKon- dratyev, K. Ya., et al.: Doklady USSR Acad. Sci. 195, t084 (1 9 7 0 ) . - EISJ Kondratyev, K. Ya., et al. :ibid. 196, 6 ( 1 9 7 1 ) . - [I91 Kondratyev, K. Ya., Vassilyev, O.B., Mironova, Z. F.: Probl. Atm. Physics 10, 3 ( 1 9 7 t ) . - ~20] Malina, F. J.: Leonardo 3, 323 (t970).

Received March 25, t97t

Transport- und Austauschvorg inge in der Atmosph ,ire

und ihre Erforschung mit Spurenstoffen

P. FABIAN, P. G. PRUCHNIEWICZ und A. ZA~D*

Max-Planek-Institut ffir Aeronomie, Institut fiir Stratosph/iren-Physik, Lindau/Harz

The average mass transport within the low stratosphere is estimated. Averaged strontium-90 fallout data and tropospheric ozone data show their highest values at 20~ ~ 400-45 ~ and 60 ~ north. A function was computed describing the strato- spheric-tropospheric mass exchange. The interhemispheric exchange in the tropo- sphere is governed by a tropical meridional circulation system. For fission products interhemispheric mixing with a time constant of 3.3 years occurs.

Ei~deitu~g

Zwischen den beiden untersten Stockwerken unserer Erdatmosph~ire, der Tropo@h~re und der Strato- sphgre, befindet sich etwa in der H6he der Tropo- pause eine dy~amische Gremschicht. Ihre Lage und Struktur werden bestimmt durch die Zirkulations- systeme der Stratosph~ire und der Troposph~ire und zeigen wie diese eine starke Abh~ingigkeit von Jahres- zeit und geographischer Breite. Im Mittel liegt die Tropopause am Aquator in etwa t8 km HShe und fiillt nach hSheren Breiten bin leicht ab. Bei ca. 30~ Breite befindet sich eine Diskontinuit~it. Die eben- falls zu den Polen abfallende Tropopause der mitt- leren Breiten liegt nur etwa 12 km hoch und wird mit-

* Universit~t Teheran.

37c Naturwissenschaften 1971

unter yon der hSheren tropischen Tropopause iiber- lappt. Ein weiterer Tropopausensprung tri t t hiiufig bei 60 ~ Breite auf. Die polare Tropopause liegt in der Regel nicht hSher als 8 km (vgl. Fig. 6). In dieser Arbeit werden die Transportvorg~nge in der Stratoslbhiire und der Massenaustausch zwisehen der Stratosphtire und der Troposphdre sowie zwischen den beiden Hemisphh're~r untersucht. Aus der Ftille atmo- sph~irischer Spurengase, Aerosole und radioaktiver Substanzen nattirlichen wie ktinstlichen Ursprungs bieten sich als Hilfsmittel hierzu Ozon sowie Spalt- produkte atmosph~rischer Kernwaffentests wie 9~ besonders an, da fiir beide ein weltweites Beobaeh- tungsnetz vorhanden ist. Die wichtigsten in der Atmo- sph~ire vorkommenden Spurenstoffe sind in Tabelle t zusammengestellt.

542 P. Fabian et al.: Transport- und Austauschvorg&nge in der Atmosph&re Naturwissenscha/len

Tabelle 1. Wichtigste Spurengase und Radioisotope in der A tmosphdre

Spurengase Radioisotope

dutch kosmische Strahlung erzeugt

bei Kernwaffen- tests erzeugt

Wasserdampf Tritium Tritium Ozon Beryllium- 7 Kohlenstofi- t 4 Kohtenmonoxid 13eryllium-I 0 Strontium-89 Kohlendioxid KohlenstofI- 14 Strontium-90 Schwefeldioxid Natrium-22 Zirkon-95 Stiekoxide Silicium- 32 Caesium- t 37 Ammonium Phosphor-32 Barium-140 Halogene Phosphor- 33 Cer- 144

Schwefel-35

0zo1r wird in der Stratosph/ire unter Einwirkung des ultravioletten Sonnenlichtes gebildet, wobei die Stra- tosphgre der Tropenregion zwischen 20 und 35 km H6he als Hauptquellgebiet gilt ['1]. Die stratosph/iri- sehe Ozonverteilung ist das Ergebnis eines Zusam- menwirkens von Photochemie und stratosph~triseher Zirkulation, die beide v o n d e r Jahreszeit abMngen. Die Beobachtung best~itigt, dab die mittlere strato- sph/irische Ozonverteilung ebenfalls einen charakteri- stischen Jahresgang aufweist. Aus dem stratosph/iri- schen Ozonreservoir mit Mischungsverh~iltnissen zwi- schen t u n d t5 ~g Ozon/g Luft geht st~ndig durch Austauschvorg~tnge Ozon an die TropospMre ver- loren, wo es durch Kontakt mit der Oberfl~che und mit Aerosolen zu Sauerstoff reduziert wird. Der Rfick- transport von der Troposph~tre, wo in der Regel Mischungsverh~4tnisse unter 0,2 F-g Ozon/g Luft auf- treten, zur StratospMre kann ftir Ozon vernach- 1/issigt werden.

Strontium-90, ein fl-Strahler mit einer Halbwertszeit yon 28 Jahren, gelangt als Spaltprodukt bei Kern- waffentests in die Atmosph~ire. 9~ das in die Tropo- spMre injiziert wurde, lagert sich an Aerosole an und vermindert sieh nach etwa I Monat dureh Nieder- schlage auf die H~tlfte, in geringem NaB auch trocken auf den e-ten Teil [2]. Ftir Untersuchungen in glo- balem Rahmen sind daher nur solche Testserien von Interesse, bei denen 9~ bis in die Stratosph~tre hinein injiziert wurde, woes , yon Zirkulationssystemen ver- teilt, wesentlich lgnger als in der Troposph~tre gespei-

chert wird. Kernwaffentests dieser Art haben bis Ende 1962 nur auf der Nordhalbkugel, n/imlich im Pazifik zwischen 2 ~ und 17 ~ Breite sowie in Sibirien und Nowaja Semlja, stattgefunden. Somit ist die n6rdliche StratospMre das prim~tre Strontium-90- Reservoir, das dureh Austauschvorg~tnge allm~ihlich entleert wird.

Transportvorg&r i~z der Stratosphiire

Die Wirkung stratosph~irischer Transportvorg~tnge wird durch Fig. I verdeutlicht. Das stratosph/irische Ozonprofil der ~quatornahen Station Canal Zone s t immt mit den Ergebnissen photochemischer Rech- nungen recht gut t~berein. Mit zunehmender Breite jedoch ftillt sich die untere Stratosphere - - entgegen jeder photochemischen Theorie - - mehr und mehr mit Ozon auf, so dad der totale Ozonbetrag %, also das fiber die vertikale Ozonschicht integrierte Ozon- profil, vom Aquator zu hohen Breiten bin betr~ichtlich zunimmt. Nur oberhalb etwa 30 kin, wo man photo- chemisches Gleichgewicht annehmen kann, beobachtet man einen Abfall zu hohen Breiten. Diese Zunahme des totalen Ozonbetrages x o m i t der Breite l~Bt sich ftir den Bereich zwischen 20~ und 60~ n~therungsweise durch ein lineares Gesetz be- schreiben. Die yon Fabian [41 bestimmten Werte dieser Nord-Stid-Ozongradienten, ermittelt aus Mes- sungen an 79 Ozonstationen der Nordhalbkugel (Me- teorol. Service of Canada t960-1963), sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Sie zeigen im Spiitwinter die h6chsten Werte. Die Ergebnisse lassen sich nur durch einen Masseu- lramport yon dem dquatoriale~r Ozonquellgebiet nach hSheren Breite~ erkl~ren, welcher z, Z. der Westwinde

Tabelle 2. Nord-Siid-Ozongradienten A xo/A ~o der Nordhalb- kugel (gemittelt 1960--1968)

Monat A xdA 99 Monat A xo/A ~o [m atm-cm/Crad] [m atm-cm/Grad]

Januar 4,42 Februar 5,37 Mgrz 5,08 April 4, t 2 Mai 3,04 Juni 2,29

Juli t,37 August 1,23 September 0, 79 Oktober 0,73 November t,52 Dezember t,86

30

i28, 2 6

[ km ] 24 1 22

2O 18 . 16 14- 1 2 ~0 8 6

4 2 0

Fig, 1. Mittlere vertikale messungen [3]

,~ ", /" --~ ~ ~ Jor~ - ~ - ~ l ~ - " " ' " ~ F b,-\Cor, o , Zoo,' , : ~~ & 1 . - - ~ - - - o J a b - A u g . j

~,!~...---'~ , �9 �9 ~a~ - F ~ b q ~',"J i~ . . . . . J u l i - Aug J" Albuquerque ~= 35'N

I~ ",",," �9 �9 Jan - F e b r q - h I g~ ; ~" . . . . . J u l i - A u g ~ F t Lhurc d ~? :59~

i r - - I - + §

100 200 300 400 500 - - p o 3 [ p g / m 3 ]

O z o n p r o f i l e f i i r d r e i S t a t i o n e n i n h o h e n , m i t t l e r e n u n d n i e d e r e n B r e i t e n n a c h R a d i o s o n d e n -

58. Jg., Heir 11, 1971 P. Fabian et al.: Transport- und Austauschvorg~nge in der Atmosph&re 543

in der StratospMre im l/Vi~#er am stdrksten, z.Z. der Ostwinde im Sp~itsommer am schw~ichsten ausgepr~gt ist. Hierzu ist das Ineinandergreifen sowohl einer meridionalen polw~rts wie einer vertikalen abw~trts gerichteten Komponente in der Stratosphfire erfor- derlich, wodurch das Ozon in tieferliegende atmo- sph~irische Schichten gelangt, in denen es vor photo- chemischer Zerst6rung weitgehend geschtitzt ist. Ftir einen Massentransport yon 20~ bis 60~ in meridionaler und von 25 km auf 15 km H6he in verti- kaler Richtung innerhalb vier Wintermonaten liefert eine ScMtzung eine mittlere Meridionalgeschwindig- keit von ~-~ 40 cm/sec und eine mittlere Vertikal- geschwindigkeit yon u -~ 0, t cm/see. Rechnungen yon Murgatroyd und Singleton [51 sowie Teweles [61 fiber den W~trmetransport zwischen den W~trmequellen und -senken in der Stratosph~ire und Mesosphlire ergeben ffir die untere Stratosphere meri- dionale und vertikale Geschwindigkeitskomponenten der gleichen Gr6ge. Rechnungen von Newell [7] mit Hilfe yon Wind-, Ozon- und Temperaturmessungen ergeben, daf3 der polw~rts- und abw~rtsgerichtete Massentransport zwi- schen 50 und t00 mb, also in 20 bis t5 km HShe, statt- findet. Die Ausbreitungsrichtung stimmt, was auch dureh direkte Flugzeugmessungen nach einer Injek- tion von Wolfram-185 in die iiquatoriale Stratosphfire best~ttigt wurde [81, etwa mit dem Verlauf der FI~- chert gleicher potentieller Temperatur tiberein. Die sich in der unteren Stratosphere einstellenden mittleren Ozonverteilungen lassen erwarten, dab Luftmassen, die aus der unteren Stratosph~tre hoher Breiten stammen, ozonreicher sind als solche, die aus niederen Breiten kommen. Mit Hilfe yon Traiekto- rien, berechnet aus H6henwetterkarten im 100 mb- Niveau (etwa t 5 km H6he), konnte diese Annahme best~itigt werden [41. Zwischen dem Gesamtozon- betrag x 0 und der ,,Herkunft der Luft im t00 mb- Niveau" besteht eine gesicherte Korrelation, deren Regressionsfaktoren mit den in Tabelle 2 angegebenen Werten des Nord-Stid-Ozongradienten A Xo/A ~ gut tibereinstimmen. Die ,,Herkunft der Luff" war dabei als die geographisehe Breite ~ definiert, welche sich aus dem Verlauf der jeweiligen 100mb-Trajektorie durch Mittelung der tiberstrichene~. Breiten w~thrend der letzten 6 Tage vor Erreichen des MeBortes be- rechnete. Als Folge dieser schubweisen Dri/t ozonreicher Luft- massen in der unteren StratospMre von hohen nach niederen Breiten ist eine Auswirkung auf den Jahres- gang des troposph~trischen Ozons anzunehmen, da ein Tell des stratospMrischen Ozons durch Austausch in die TropospMre gelangt. Diese Annahme wurde durch eine statistische Untersuchung best~itigt [9], bei der aus Ozonprofilen [3] eine zeitliche Verschiebung des Jahresmaximums vom Frfihjahr auf den Sommer yon hohen nach niederen Breiten hin ermittelt wurde (Fig. 2). Eine Sch~itzung ftir den Massentransport zwischen 200 und t00 mb von 60~ bis 30~ auf- grund dieser Untersuchung ergibt eine Meridional- komponente yon v -~ 40 cm/sec. Die Arbeiten weisen Itir die Nordhalbkugel von der Ozonquelle in der Tropenregion einen meridionalen Ozonabtransport oberhalb etwa 80 mb in Sfid-Nord- Richtung im Winter und Frtihjahr nach. Sie zeigen weiter, dal3 gleichzeitig vom Winter bis Sommer in

T 03-Konz.

I O, O7

0.06

o,o5

0.0/~

0,03

O, O2

Mitt lerer Jahresgang des trop. Ozons un Stationen von 6/..8~ bis 76,5~ : von /d,.5~ his S8.B~ = - = - - a - -

von 2L5~ his 42.5~ : - ~ - - . . . a - . - -

2, . / - --.,,

I I I Winter Fr6hjczhr Sommer Herbs't

Fig. 2. Zeitliche Verschiebung des Jahresmaximums der tro- posphSMschen Ozonkonzentration in hohen, mitt leren und niederen Breiten. Radiosondenmessungen fiber Nordamerika, gemittelt ~iber die Jahre 1963--1965 _[9]

den untersten Stratosph~trenschichten ein Rfick- transport in Nord-Stid-Richtung stattfindet. Dabei wird ein Teil des stratosph~rischen Ozons durch Aus- tausch laufend an die Troposphiire abgegeben, in deren bodennahen Schichten eine st~ndige Ozonzer- stSrung folgt. Es liegt daher nahe, von einem globalen Kreislau/des Ozons in der Atmosphere zu sprechen.

Stmtosphdrisch-tr@osphdrischer A ustausch

Die systematische Analyse troposph~rischer Luftpro- ben entlang des 80. L~ngengrades nach den Kern- waffentests (bis Ende t958) ergab tiberraschend, dab die tiberwiegende Menge der Spaltprodukte nicht in den Breiten der Testzentren, sondern in mittleren Breiten um 40 ~ auftrat [t0~. Quantitative Aussagen wurden nach den Testserien t96t/62 mit Hilfe der 9~ aus dem globalen Stationsnetz des Health and Safety Laboratory (HASL) m6glich. Wie die Stationen der Fig. 3, zeigen alle HASL- Stationen der Nordhalbkugel den gleichen exponen- tiellen Abfall der 9~ dem aus- gepriigte Jahresg~tnge mit einem Maximum im Sp~tt- frtihjahr bis Sommer tiberlagert sind. Fig. 3 veran- schaulicht ferner, dab die Jahresmittel der 9~ zentration eine starke Abh~ingigkeit yon der geo- graphischen Breite zeigen. Deutet man diese Ab- h~ingigkeit als Folge des stratosph~risch-troposph~iri- schen Austausches, so ergeben die Auswertungen der Mel3werte yon insgesamt 48 Stationen der Nordhalb- kugel ftir diesen Austausch im Mittel ein Maximum zwischen 40 ~ N und 45 ~ N; zwei Nebenmaxima lassen sich in der Verteilungskurve bei etwa 20 ~ N und 60 ~ N erkennen El t ]. Troposphiirische Ozonmessungen ergeben ein modifi- ziertes Ergebnis. Aufgrund einer Bearbeitung des in Fig. t u n d 2 genannten MeBmaterials mehrj~thriger Ozon-Radiosondenaufstiege fiber Nordamerika weist die tiber die Jahre t963--1965 gemittelte troposph~iri-

544 P. Fabian et al. : Transport- und Austauschvorg~tnge in der AtmosphS, re Na~ufwissenscha/~e~z

t 0 0

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New York , New York o0 o.

I 9 6 4 ] 1965 I 1966 1 1967

Fig. 3, Verlauf der s~ aus Niederschl~gen auf der Nordhalbkugel an drei Stationen verschiedener ]3reite in halblogarithmischer Darstellung [1 t ]

sche Ozonkonzent ra t ion drei ausgepr~igte Max ima bei 30 ~ N, 42 ~ N und 60 ~ N auf (Fig. 4). E in Vergleich der mer id ionalen Ver te i lungskurven yon St ront ium-90 und t ropospMr i schem Ozon mach t eine Gegent~berstellung des Verhal tens be ider Spuren- stoffe innerhalb der Troposphere und der MelF- me thoden erforderlich. 9~ ha t insofern Nachtei le , als es e inmal an Nieder- schl~ge gebunden ist (Land- oder Seestat ion), und zum anderen nur am Boden regis t r ier t wird. Es kann yon mer id iona len station~tren S t r6mungen in der oberen Troposph~ire vom Ort der s t r a to spMr i schen Zufuhr in hahere oder t iefere geographische Zonen t r anspor t i e r t werden, bevor es am E r d b o d e n aus- f~llt.

Demgegent~ber bes i tz t Ozon den Vorteil , dab das Mischungsverh~ltnis Ozon/Luf t yon Wolkenb i ldung und Niederschl~igen unabh~ingig ist und die Ozon-Absolu twer te in der ge- samten T r o p o s p M r e mi t Hilfe von Ozonsonden leicht zu e rmi t te ln sind.

Die Ozonsensoren bestehen im Prinzip aus einer elektrochemischen Zelle mit Kalium- jodidl6sung, dutch welche mit einer Pumpe das zu untersuchende Ozon/Luft-Gemisch gesaugt wird. Jedes eingesaugte Ozon- molek~l setzt dabei ein Molek~l Jod in der Me616sung {rei. Zwischen zwei ]~lek- troden IlielFt dadurch eli1 Strom, welcher der Zahl der in der L6sung befindlichen Jodmolekt~le proportional ist. Die untere Nachweisgrenze ist 10zonmolek*al auI t 0 ~ Luftmolekale.

Diese Unterschiede der beiden Spurenstoffe in der Troposphere s ind als Ursache dafter anzusehen, dab die differenzierte Abh~ingigkeit der Ozon-Ver te i lungskurve v o n d e r geo- graphischen Brei te mi t drei aus-

gepragten Max ima in der K u r v e des ~~ weniger ausgepr~igt erscheint. F t i r die Verschiebung des N e b e n m a x i m u m s von 30 ~ N in der Ozon-Ver te i lungskurve nach e twa 20~ im ~~ s ind wohl s ta t ionare Luf t s t r6mungen in der hohen Troposph~ire verantwor t l ich . Aufgrund der mer id ionalen Zirkulat ionszel le in niederen Bre i ten (s. Fig. 6) werden troposph~irische Luf tmassen aus der Zone um 30 ~ - - den sog. RoBbrei ten - - yon Passa t - winden in die Aqua to rzone t ranspor t ie r t . Zus~itzlich muB sich der z i rkumpolare Hochdruckg~r t e l um 30 ~ mi t ex t r em geringen Niederschl~gen auf den "~~ Fa l lou t ve rminde rnd auswirken. Bei der qua n t i t a t i ve n Bes t immung einer s t ratosphfi- r isch-troposph~trischen Aus tauschfunk t ion ist man

z z

o . z ~ % z z -8 ~ :E ~ z . _ o o

u

0,0,_ i i1 t t I t t t [ t t t i

l 0,062

~g Y

I 0,05 �9

g

0,04 o

i , ~ , ~ , ~ , , , 1 , i ~ I , D , / ,.- 30 ~ 20 ~ I0 ~ 90 ~ 80 ~ 70 ~ 60 ~ 50 ~ 0 o o 0

Geogr~phische Breite

Fig. 4. Meridionale Verteilung der troposph&rischen Ozonkonzentration nach Radiosondenmessungei1, gemittelt t~ber die Jahre 1963--1965. (Nach [9~)

88. Jg . , H e / t 11, 1971 P. F ab i an et aI. : T ranspo r t - u n d A u s t a u s c h v o r g i n g e in der Atmosph / i r e 545

auf Ozonmessungen angewiesen, da direkte Messun- gen des 9~ in der unteren Stratosph~ire und der hohen Troposph/ire nur vereinzelt ausgeftihrt wurden. Eine solche A u s t a u s c h f u n k t i o n , die ebenfal ls aus den ge- n a n n t e n Ozonprof i len L33 e rmi t t e l t wurde, wird im Fo lgenden diskut ier t . Die T ropopause sei a n g e n o m m e n als inf in i tes imale Schicht , C s u n d C T seien die K o n z e n t r a t i o n e n eines Spuren- stoffes, dessert Quelle sich in der S t r a t o s p h i r e u n d dessen Senke sich in der Troposph&re befindet , direks oberha lb u n d u n t e r h a l b der Tropopause . Fe rner sei vorausgese tz t , dab zonale Zi rku la t ion her rscht , dab die t roposph/ i r i sche Lebens- daue r z des Tracers klein ist gegen die Zeit der mi t t l e ren mer id iona len D u r c h m i s c h u n g der T roposphe re u n d dab der R f i ck t r anspo r t Troposph~tre- -St ra tosph~tre ve rnach l~ss igbar ist. D a n n k a n n m a n die zeitl iche ) i nde rung der t roposphgr i - schen K o n z e n t r a t i o n schre iben als

d C T C T _ _ _ = o : C S - - -

dt "c

ist die zu be rechnende T r o p o p a u s e n - A u s t a u s c h f u n k t i o n . Die I angsame )knderung yon CT u n d C S g e s t a t t e n die Schreibweise

A C T - - C T At = o : C s . . . . T

wobei C S u n d C T die Mit te lwer te fiber das be t r ach t e t e Zeit- in terval l sind. Hie raus be rechne t sich c~ als

I /ACT ?) Zur B e r e c h n u n g yon ~ als F u n k t i o n von Jahresze i t u n d Brei te w u r d e n die Ozonprofi le fiir jede S ta t ion t~ber die be- t re f fende Jahresze i t gemi t t e l t (Winter : D e z e m b e r - - F e b r u a r , Fri~hling: M&rz--Mai, S o m m e r : J u n i - - A u g u s t , H e r b s t : Sep- t e m b e r - N o v e m b e r ) . Pro Jahresze i t u n d S ta t ion s t a n d e n 40 bis 90 Profile der J ah re 1963- - t965 zur Verffigung. Die T r o p o p a u s e n h 6 h e wurde als diejenige H6he definiert , in welcher das 3/[ ischungsverh~ltnis Ozon / L u f t den W e f t 0,4 ~zg/g f iberschreitet . C s bzw. C T w u r d e n als mi t t le res Mischungs - verh~iltnis Ozon /L u f t in einer 6 k m m&chtigen Schicht ober- ha lb bzw. u n t e r h a l b der T ropopause berechnet .

Ffir die mi t t le re L e b e n s d a u e r r des t roposphgr i schen Ozons g ib t es A n g a b e n y o n t Mona t bis zu 4 Monaten . N a c h s ta t i s t i - schen U n t e r s u c h u n g e n yon Pruchniewicz [9] sowie Schg tzun - gen des s t r a t o sphg r i s chen u n d t roposphgr i s chen O z o n b u d g e t s [12] dfirfte r kleiner als 2 Mona te sein. Die B e r e c h n u n g der T r o p o p a u s e n f u n k t i o n wurde dahe r Ifir die Grenzfglle T = I Mona t u n d T = 2 Mona te durchgef i ihr t .

Das Ergebnis zeigt Fig. 5, zusammen mit den Mi- schungsverMltnissen C s und C T oberhalb bzw. unter- halb der Tropopause. Die Maximalwerte der Aus- tauschfunktion liegen Ifir all~ Jahreszeiten knapp oberhalb 40 ~ N, Nebenmaxima bei etwa 30 ~ und 60 ~ sind je nach Jahreszeit mehr oder weniger aus- gepr~gt. Es erhebt sich die Frage nach der Ursache ffir dies~ Abhfingigkeit des Austausches yon der geographischen Breite. Nach Pruchniewicz [9] steht der Austausch Stratosph/ire~Troposph/ire in mittleren Breiten in engem Zusammenhang mit den zeitlichen )inderungen der dynamischen Grenzschicht im Tropopausen- niveau. Ffir einen festen Ort zeigen die ?r der troposph~rischen Ozonkonzentration und der Skalarwindgeschwindigkeit im hochtroposph~rischen Windmaximum einen ausgeprfigt antiparallelen Gang. Eine Erkl~rung liefern Modellrechnungen fiber die Kinematik und Energetik der atmosph/irischen Vor- g~inge in Hoch- und Tie/druckgebieten. F fir grol3r~tu- mige Luftmassenzirkulation wirkt das Tief mit seinen Luftmassen unterschiedlicher Temperatur als ,,atmo- @hiirischer Motor" [t3, t4]. In Bodenn~ihe verl/iuft ein st~indiger Massentransport vom Hoch zum Tief, der ffir einen Druckausgteich innerhalb yon I b i s 2 Tagen sorgen mfiBte. Die tats~ichliche Lebensdauer yon Hoch- und Tiefdruckgebieten yon ca. 8--14 Tagen ergibt sich dadurch, dab der MassenzufluB am Boden dutch einen Abtransport yon Luftmassen in h6here

[Ixg/g] [Monet 1]

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[gg/g] [Non~

3t0,30 ' ' ' - ' ' Winter ' 10,15

t / t "'=.? h ! 5 s r ~ , ""~ ~ \--I = IMonot at@J}

O J I I I ~ I I * I 0 ~ 10 ~ 20 ~ 30 ~ 40 ~ 50 ~ 60 ~ 70 ~ 80 ~ 90 ~

Fig. 5. Meridionaler Ver lauf von ~z ( v = t bzw. 2 1%{onate) u n d des mi t t l e r en Mischungsverh&Itnisses Ozon /Luf t ober- ha lb (Cs) und u n t e r h a l b (CT) der Tropopause , ge t r enn t nach Jahresze i t en ; 0% ist die im T e x t definier te A u s t a u s c h f u n k t i o n

38a Naturwissenschaften 1971

546 P. Fabian et aI. : Transport- und Austauschvorggnge in der Atmosphgre Nalurwissenscaa/ten

Schichten kompensiert wird, wobei es im Bereich des Tiers zu aufw~trts gerichteten Luftbewegungen kommt. Als Folge dieser Aufw~trtsbewegung und als Folge der mit der H6he anwachsenden Druckfl~tchenneigung von nebeneinander gelagerten Luftmassen unter- schiedlicher Temperatur tr i t t eine rasche Erh6hung der zonalen Windgeschwindigkeiten mit der H6he ein. In der Grenzschicht wird die aufsteigende LuK von tibergradientischen Winden vom Tief weg- gepumpt und dem Hoch zugefiihrt, fdber dem Hoch kehren sich die VerMltnisse urn. Ein Nachlassen der zonalen Windgeschwindigkeit im Tropopausenniveau und ein Absinken yon Luftmassen aus hohen in tiefe Tropopausenschichten sind die charakteristischen Merkmale. Im Hinblick auf den Ozon- und Luftmassenaustausch Stratosph~ire--Troposph~ire ist auf Grund dieser Transportvorg~inge dieses Ergebnis so zu verstehen, dab hohe Windgeschwindigkeiten in der Grenzschicht gekoppelt mit aufsteigenden Luftmassen in der Tropo- sph~ire einem Austausch aus der Stratosph~ire in die Troposph~ire entgegenwirken, w~ihrend niedrige Wind- geschwindigkeiten in der Grenzschicht in Verbindung mit Absinkbewegungen den Austausch verst~irken. Eine Er6rterung der Austauschfunktion in globalem Rahmen setzt eine kurze Beschreibung der dynami- schen Grenzschicht in niederen, mittleren und hohen Breiten voraus. Die dynamische Grenzschicht ist mit der allgemeinen Zirkulation der unteren Atmosph~ire gekoppelt und weist wie diese eine Dreiteilung auf (Fig. 6). Zwischen Aquator und etwa 30 ~ werden ihre Lage und Struktur durch eine meridionale Zirkulationszelle be- stimmt, wobei die Dynamik der oberen Troposph~ire auf der Nordhalbkugel durch starke Stid-Nord- Str6mungen charakterisiert ist. In mittleren Breiten zwischen 30 ~ und etwa 60 ~ sind Troposph~ire und StratospMre durch eine Starkwindschicht zwischen t 0 - - t 2 km H6he dynamisch getrennt; ein ausgespro- chenes Westwindmaximum (Jetstream) befindet sich am Nordrande der erstgenannten Zelle. In Breiten oberhalb etwa 60 ~ kommt es wiederum zur Ausbildung einer schwachen direkten Meridionalzelle mit polw~trts gerichteten Str6mungen in der oberen Troposph~ire und einer Luftstr6mung gegen niedere Breiten im unteren Zirkulationsast. Diese meridio- nalen Bewegungen sind den vorherrschenden Zonal- bewegungen iiberlagert.

P o l o r o ~ o o ~

0 ~ -

In mittleren Breiten kann dagegen nur von einer in- direkten Zellenbildung gesprochen werden, wobei die starke Westwindbewegung im Tropopausenniveau durch Impulstransport aus vorwiegend niederen Brei- ten erzeugt wird. Das Uberwiegen der zonalen Be- wegungen kommt durch die Coriolis-Kraft zustande, welche die im Mittel meridionai gerichtete Druck- gradientkraft kompensiert. Dieses sehr einfache Schema spiegelt natiirlich nicht alle tats~ichlichen Luftbewegungen wider, die insbesondere in mittleren und hohen Breiten auBerordentlich kompliziert vor sich gehen. Das Bild kann nur eine Hervorhebung aller jener Bewegungen sein, die im allgemeinen Mittel vorhanden sind und in dieser Form quasistation~iren Verh~iltnissen entsprechen. Oeht man bei einer qualitativen Interpretation der in Fig. 5 dargestellten Austauschfunktion yon der Dreiteilung der dynamischen Grenzschicht aus, so zeigt sich ftir niedere Breiten zwiscben Aquator und 30 ~ dab der Luftmassentransport aus der Strato- sphtire in die Troposphere relativ gering bleibt, von der Jahreszeit unabh~ingig ist und vom Aquator in Richtung Norden ansteigt. Dieser Kurvenast darf als Best~itigung der meteoro- logischen Erfahrung angesehen werden, dab es sich bei der Zirkulationszelle in niederen Breiten um ein besonders stabiles Str6mungssystem handelt. Die Zu- nahme der Austauschwerte nacb Norden hin ist auf Grund der Abnahme der meridionalen Windgeschwin- digkeiten im Tropopausenniveau nach Norden hin zu verstehen. Im Bereich der zweiten schwach ausgepr~igten Meri- dionalzelle in Breiten oberhalb 60 ~ nimmt die Aus- tauschfunktion insgesamt mittlere Betr~tge an mit einer ann~ihernd meridionalen Gleichverteilung in Friihjahr und Herbst. Auff~illig ist, dab im Winter der Austauscb in Poln~ihe stark iiberwiegt, w~thrend er im Sommer in Poln~ihe zurtickgeht und nach Stiden hin zunimmt. Diese jahreszeitlichen Anderungen des Austausches stimmen ebenfalls gut mit der allgemeinen Kenntnis fiber die Zirkulationszelle in hohen Breiten iiberein. Im Winter herrscben im Polgebiet starke Absinkbe- wegungen von Kaltluft in der Troposph~ire vor in Ver- bindung mit einem LuftmassenabfluB gegen niedere Breiten in bodennahen Luftschichten. Diese Absink- bewegungen sorgen nach den obigen Ausfiihrungen fiir eine versttirkte Luftmassenzufuhr aus der Strato-

" - . . . . . . . . " * 0 5 10 15 krn

Fig. 6. Schematisches Modell der allgemeiner~ ZirkulatioI1 auf der Nordhalbkugel in einem 5leridionalschni~t und schemati- sche Str6mungsverh~ltnisse im Meeresniveau; Jp Polarjet, Js Subtropelljet, PF Polarfront. (Nach [15])

58. Jg., tte]t lI, 1971 P. Fabian et al. : Transport- und Austauschvorg/inge in der Atmosph~.re 347

sph~ire in die Troposph~tre. Im Sore- 3 . . . . . mer, wenn dieser thermodynamisch s0sr-~ttout

in reL Einh. bedingte Bewegungsvorgang schw~i- cher wird, vermindert sich entspre- z. ehend der Austansch Stratosphfire-- Troposph~ire in polnahen Zonen. In mittleren Breiten weist die Aus- tauschfunktion zu allen Jahreszeiten i hohe Werte auf mit zwei ausge- pr~igten Maxima bei etwa 30 ~ und 40 ~ Die Maxima fallen nach Fig. 6 0 rfiumlich mit der mittleren Lage des Subtropenjets und des Polarjets zu- sammen und scheinen mit diesen ]90Sr-Fot~out in Zusalnmenhang zu stehen. Diese ~ in r~t eJ,h. Annahme wird durch Arbeiten yon t Rossby El6] und Palm6n [t5, t7~ ! /[1 bestfitigt, in denen gezeigt wird, dab die starke Windeinwirkung in den Jetstream-Zonen in einem Meridio- nalschnitt zu einer Deformation der Isentropenfl~ichen ffihrt; die Fl~ichen werden n6rdlich des Windmaximums gehoben und stidlich desselben ge- senkt. Dabei konzentrieren sich die Isentropenfl~ichen innerhalb einer geneigten Grenzfl~iche. So erh~itt -, man eine solenoidale Zirkulation mit 0 AbsinkbewegunginderoberenTropo- 0 ~ 10 ~ 20" 30" ac sphere siidlich des Windmaximums und aufsteigender Luft n6rdlich da- v o n .

Die in Fig. 5 signifikanten Maxima im stratosph~risch-troposph~irischen Austausch bei etwa 30 ~ und 40 ~ mt~ssen mithin mit den Zonen sfidlich des Subtropen- und des Polar- frontjets zusammenfallen, in denen durch die tropo- sph~trischen Abw~irtsbewegungen die Voraussetzungen ftir einen stfirkeren Austausch erfiillt sind. Die H6he der Austauschwerte impliziert die An- nahme, dab die der zonalen Str6mnng des Jets fiber- lagerte Querzirkulation bis in die untere Strato- sph~ire reicht, wodurch ein krMtiger Transport strato- sph~irischer Luft in die Troposphere und umgekehrt bewirkt wird. Im folgenden soll kurz gezeigt werden, dab die im Zusammenhang mit der dynamischen Grenzschicht diskutierten Merkmale des stratosph~irisch-troposphfi- rischen Austausches zwischen Pol und Aquator quali- tativ yon der meridionalen Verteitung des ~~ best~ttigt werden. Der troposph~rische 9~ sowie die mittleren jahreszeitlichen Anderungen sind aus Messungen des HASL-Stationsnetzes auf der Nordhalbkugel gut bekannt. Fig. 7 liegen HASL- Falloutmessungen an 80 Stationen der Nordhalbkugel zugrunde. Der in Fig. 3 dargestellte, dem Jahresgang tiberlagerte exponentielle Abfall wurde fiir jedes Jahr durch eine Korrektur eliminiert; Bezngseinheit ist das fiber alle Breiten und Jahreszeiten gebildete Mittel der korrigierten Falloutwerte. Hinsiehtlich der Tropopausen-Austauschfunktion sind die Registrierungsunterschiede zwischen "~ und Ozon yon sekund~rer Bedeutung. Beide Tracer haben ihre Quelle in der Stratosph/ire und ihre Senke an der Erdoberfl~iche, ftir beide ist der Rticktransport Tropo- sph~ire--Stratosphfire vernachl~ssigbar klein. Die

38*

F r d h j o h r

1~) ~ 210 ~ jO ~ /,'0 ~ 510'; 6~0o 7'0 �9 8~ ~ 900

Zl ' i ' ~ T , , , ,~ 90Sr - Fol lout Herbs t

in rel. Einh.

C, X | I C" 10 20 30 z,O 50 60 70 ~ 80" 90 ~

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I I -I /

/,0 ~ 50 ~ 60 ~ 70 ~ 80 ~ 90 ~ - - , . p ~

90Sr -Fa l l ou t Winter fn t e l Einh.

/ \ , J % / o=;o" 2'0" ~0" 2o' ~0' do" ~~ ;o" ~o"

Fig. 7. Meridionaler Verlauf des troposph~rischen s~ korrigiert (s. Text), gemittelt fiber 1964--1967 in relativen Einheiten, bezogen auI das zeitliche und r~umliche Mittel

mittlere troposph~rische Lebensdauer ist von der gleichen Gr6genordnung, und der Partikeltracer 9~ mug sich bei Teilchendnrchmessern zwischen 0,1 und t ~z im Tropopausengebiet wie das Gas Ozon beneh- men, da die Absinkgeschwindigkeit unter Einwirknng der Schwerkraft dort mit 0,001 bis 0,02 cm/sec [7] bedeutungslos ist. Nimmt man an, dab die mit Ozondaten berechnete Austauschfunktion ~ aueh fiir 9~ richtig ist, so folgt aus dem extrem ausgepr~igten Fallout-Maximum bei 4 0 ~ im Sommer (Fig. 7), dab die untere Strato- spMre keinesfalls homogen durchmischt sein kann. Vielmehr mug im Frfihjahr eine starke Nachlieferung von 9~ aus der oberen in die untere Stratosphfire stattfinden, wobei ein solcher Transport abw~irts ge- richtete Vertikatbewegungen voranssetzt. Tats~kchlich werden ft~r das Frahjahr in mittleren Breiten in der Stratosphere zwischen 25 und 50 km starke Vertikal- komponenten angegeben _[51. Als Ursache ist die Zir- kulationsumstellung von der zonalen Weststr6mung im Winter auf eine zonale Oststr6mung im Sommer anzusehen, wobei grogrfiumige Scherung mit Vertikal- bewegung auftritt. Dieser vertikale Transport hat auf das Ozonprofil keinen EinfluB, da in H6hen oberhalb 25 km photochemische ZerstSrungsprozesse dem Trans- port entgegenwirken, w~hrend er ft~r den 9~ der unteren Stratosph~tre eine effektive Vermehrung bedeutet.

In terhemisphdrischer A ustausch

Zum Massenaustausch zwischen der Nordhalbkugel und der St~dhalbkugel liefert sowohl der troposph/i-

548 P. Fabian et al. : Transport- und Austauschvorglinge in der Atmosphere Na~urwissenschct/te~,

rische wie der stratosph~trische interhemispMrische Transport einen Beitrag.

Der troposph~irische Austausch tiber den Aquator hinweg wird haupts/ichlich von einer meridionalen Zirkulationszelle gesteuert. Diese besteht nach Newell, Vincent und Kidson ~t8] aus aufsteigender Luft in der Solnmerhalbkugel und absinkender Luft in der Winterhalbkugel, wobei yon Juni bis August der Massenflul3 in der oberen Troposphfire zur Stidhemi- sphfire wesentlich starker ist als der umgekehrte Flul3 zwischen Dezember und Februar. Zur Zeit der Aqui- noktien sind zwei getrennte Zirkulationszellen wirksam mit aufsteigender Luft am Aquator und absinkender Luft bei etwa 20 ~ N bzw. 20 ~ S, welche von September bis November asymmetrisch nach Norden verschoben sind und so den MassenfluB zwischen Juni und August zur Stidhalbkugel abgeschwficht fortsetzen. Dieser tropische meridionale Massentransport inner- halb der Troposph~ire bewirkt mit Einsetzen der Som- merzirkulation einen Abflug yon Ozon aus der n6rd- lichen in die stidliche Troposph~ire, was zu einem rapiden Abfall des tropospMrischen Ozons ftir Sta- tionen der n6rdlichen Tropenzone ftihrt [9]. Der stratosph/~rische interhemisph~irische Austausch kann mit Hilfe des Ozons abgescMtzt werden, indem fiir jede Jahreszeit die Gesamtzahl n der Ozonmole- ktile jeder HemispMre berechnet wird.

90 ~

~R~NA " ~~ f Xo cos ~ dq), 90

0 o

worin R--6 ,37 .10Scm der Erdradius, N~=2,69 . 10 ~ cm -s die Avogadrosche Zahl und x0 der gemittelte Gesamtozonbetrag in m atm-cm bedeuten.

Die Ergebnisse sind dargestellt in Fig. 8. Man sieht, dab das langj~hrige Mittel nicht wesentlich andere Werte liefert als ein einzelnes Jahr. Die Amplitude der jfihrlichen Anderung von n ist ftir die Stidhalbkugel wesentlich kleiner als ftir die Nordhalbkugel. Nimmt man an, dab auf Grund v611iger Symmetrie der ozon- erzeugenden Sonnenstrahlung tiber beiden Hemi- sph~ren gleich viele Ozonmolektile gebildet werden, so l~il3t sich der interhemisph~irische Austausch aus der Asymmetrie yon s abschgtzen.

Mit Hilfe der Beziehung

dn dt - - P - - L + T,

worin P die Ozonproduktionsrate, L die Ozonverlust- rate an die TropospMre, also die Ozonzerst6rungsrate der jeweiligen Hemisph~tre, und T die Ozontransport- rate v o n d e r Stid- zur Nordhemisph~re bedeuten, be- stimmten Brewer et ah [t9], dab far das Ozon der Transport v o n d e r StidstratospMre zur Nordstrato- sph~ire tiberwiegt und im Januar den h6ehsten Wert mit T = 4" 10 ~9 Molektile/sec annimmt. Angesiehts der Produktionsrate von P = 4" 1029 Molektile/sec pro Halb- kugel tiber das ganze Jahr ist dieser Austausch recht bedeutsam ftir das globale Ozonbudget. In l)berein- stimmung mit diesen Absch~tzungen wird auf der Nordhalbkugel tatsfichlich etwa doppelt so viel Ozon abgebaut wie auf der Stidhalbkugel [20]. Im Falle der Spaltprodukte yon Kernwaffentests wie 9~ bedeutet der Massenaustausch zwischen den HemispMren einen Durchmischungsprozel3, durch welchen aus dem prim~iren Quellgebiet der n6rdlichen Stratosph~ire 9~ so lange in die stidliche Strato- sph~tre verfrachtet wird, bis sich die Aktivitfitsniveaus in beiden HemispMren angeglichen haben. Der in Fig. 3 veranschaulichte exponentielle Abfall von 9~ in der Nordhalbkugel naeh den Testserien yon 196t/62 resultiert also aus dem Transport Strato- sph~re--Troposph~ire und dem interhemispMrischen MischungsprozeB.

Schreibt man diesen exponentiellen Abfall als

wobei ~, nur yon der Breite ~ abh~ngt, ergibt sich nach Fabian et al. [t l] eine mittlere Zeitkonstante C =/~-~ = t, t3 Jahre. Durch Einftihrung eines einfachen Boxmodells konn- ten die Zeitkonstanten ftir die beiden Austauschpro- zesse bestimmt werden. Es ergaben sich

~1 =3,3 Jahre als Zeitkonstante ftir den interhemi- sph~irischen Austauseh ohne Verlust an die Troposph~ire;

~ 2 = 1 , 6 Jahre als Zeitkonstante Itir den Austausch StratospMre--TropospMre.

x 1037 ~ ) MitteL Liber 1960 -68 2.3 /

/ / \ \ ~ordhcd bkugel

' \ \ \ / % \ , / /

\ . 7 ", /

] 8 ~ ~ E i 1-2 3-~ 5~6 2-8 g 10 11=12 Monat

Fig. 8. Jahreszeitliche Nnderung der Gesam*zahl n der Ozoll- molekiile der Nord- und Siidhalbkugel t964 [19] und fiber 1960--1968 gemittelt [12]

Bernerkunge~r

Ein Mangel der skizzierten Verfahren liegt darin, dab die troposph~rische Ozonverteilung an relativ wenigem Orten regelm~gig bestimmt wird. Dargber hinaus ist die Mehrzahl der Radiosonden iflr die hohen stratosph~Lrischen Ozollwerte ausgelegt, so dab ftir eine Einzelmessullg mit einem mittleren Fehler von • zu rechnen ist. Aussagell i~ber groB- rgumige und zeitliche ~llderungen des troposph~irischen Ozons als Indikator fiir Trallsportvorg~Lllge und den Massenaus- tausch sind deshalb bisher nur fiber mehrj~hrige Mittel- bildung des vorliegenden Mel3materials m6glich. Aufgrulld dieser Auswertungsmethode kani1 eine Beschreibung der Be- wegullgsvorg~nge nur ein Bild der quasistation~iren Verh~lt- nisse vermitteln. Angesichts der vielen Vorteile, welche OzolI bei der Erfor- schullg der atmosph~rischen TransportvorgXnge aufweist, scheint die Messung troposph~trischen Ozons an m6glichst vielen Stationen, vor allem auch auf der Si/dhalbkugel, dringend geboten. Vorteile bietet auch die periodische Anderung des Ozongehalts fflr die modelim~iBige Erfassung dutch GroBrechenanlagen. Durch Simulation des Illeinandergreifens yon Photochemie und stratosph~rischem Massentransport bei Anpassung an

,58..Jg., He/t 1J, 1971 P . J . Scheuer: Toxins from Marine Inver tebra tes 549

die tatsS~chliche s t ra tosphgr ische Ozonverte i lung kOnnen die Transportgr6fien indi rekt berechnet werden. Versuche dieser Ar t waren erfolgversprechend. Fflr die Hilfe bei der BewSoltigung des umfangre ichen Daten- mater ia ls sind die Autoren Frau H. Quast zu grol3em Dank verpfl ichtet .

[1]Df l t sch , H . U . : J. Geophys. Res. 75, t707 ( 1 9 7 0 ) . - [21 Junge, C h . E . : i n t e rna t . Geophysics Ser., Vol. 4. New York-London: Academic Press 1963. - - [3] Hering, W. S., Borden jr., T. R. : Air Force Cambridge ICes. Lab. AFCRL- 65-913 (1965). - - [4] Fabian, P. : Mitt . aus dem Max-Planck- Inst . f. Aeronomie, Nr. 28. Berl in-Heidelberg-New York: Springer 1 9 6 7 . - [5~ Murgatroyd, IC. J., Singleton, F. : Quart . J. Roy. Met. Soc. 87, 125 (196t). - - [6] Teweles, S.: World Meteorolog. Organisation, Publ. No. 176 T P 87, p. t07 (1965). - - [7] Newell, IC. E. : ibid. 89, t67 (1963). - - [8] Steb- bins, A. K. I I I : Progr. Repor t on the High Alt i tude Sampling Program, Defense Atomic Suppor t Agency, Publ. Nr. 53213

(1960). - - L9] Pruchniewicz, P. G.: Dissertat ion, Univ. G6t- t ingen 1969. Mitt. Max-Planck-Ins t . f. Aeronomie, Nr. 42. Berl in-Heidelberg-New York: Springer 1970. - - [10J Lock- hart , jr., L. B., et al.: J. Geophys. Res. 65, 3987 ( 1 9 6 0 ) . - [11] Fabian, P., Libby, W. F., Palmer, C. E.: ibid. 73, 3611 (1968). - - [12] Fabian, P.: Global St ra tospher ic and Tropo- spheric Ozone Budget (in Vorberei tung). - - [t3] Faust , H. : Meteorolog. Rdsch. 6, 6 (1953). - - [14~ Faust , H. : Der Auf- b a u d e r Erda tmosphgre . Braunschweig: Vieweg 1968. - - ~15~ Palmdn, E.: Quart. J. Roy. Met. Soc. 77, 337 (t95l) . - - [16J Rossby, C. G.: Bull. Amer. Meteorolog. Soc. 28/2, 55 (1947). - - [17] Palm4n, E. : Univ. Chicago, Dept . Met., Off. of Naval Res., Final Rep. General Circul. Project , t953. - - [18] NeweI1, R. E., Vincent, D. G., Kidson, J. \V.: Tellus 21, 641 (1969). - - [t9] Brewer, A . W . , Wilson, A . W . : Quart . J. Roy. Met. Soc. 94, 249 (t968). - - [20] Fabian, P., Junge, C h . E . : Arch. Met. Geophys. Biokl., Ser. A 19, 161 (t970).

Eingegangen am 8. Mgrz 1971

Toxins from Marine Invertebrates

PAUL J. SCHEUER

Department of Chemistry, University of Hawaii, Honolulu, Hawaii 96822, U.S.A.

Natural products research into the marine environment has expanded significantly in recent years. Among the most active areas has been research on physiologically active substances derived from echinoderms (triterpenoid glycosides) and from mollusks (predominantly sesquiterpenes).

Introduct ion

Inver tebrate marine animals range from the primitive sponges to the highly developed crustaceans. Although most of these animals are less familiar to the non- specialist than are fishes and marine mammals, several phyla and many genera are highly character- istic of the marine environment, and some of them -- e.g. the echinoderms-- do not occur elsewhere. For lack of adequate data it is difficult to say whether marine invertebrates are a particularly rich source of toxins, i .e. of substances which exhibit an adverse physiological reaction toward other organisms. Rus- sell [t] estimates that perhaps 100000 species of marine invertebrates have been described and that about 500 of these have been implicated as toxic. In my opinion this is a conservative estimate for three reasons : (l) the overwhelming majori ty of species has never been studied by a pharmacologist, physiologist, or chemist ; (2) improved and readily available diving gear coupled with adequate transportation facilities have enhanced our ability to collect these animals only in recent years; and

(3) in the past we have defined " t ox i n" rather narrowly. In our a t tempt to uncover and characterize naturally occurring physiologically active substances and to

38b Naturwissenschaften /971

increase our understanding of molecular structure versus activity we should intentionally obscure the uncertain threshold between toxic and non-toxic. Our horizon in this respect should expand concomitantly with our increased sophistication in methods of screening, in delineating various physiological para- meters, and in pin-pointing pharmacological mecha- nisms. Historically, the great value of toxins research lay in our ability to study substances which, although present in small concentration, had a profound and easily recognizable physiological effect. This uni- queness has lost much of its validity at a point in time when it has become possible to isolate and characterize such non-toxins as the prostaglandins or the gibberellins. We should strive to detect the widest possible range of activity in all natural products which we isolate--including their toxicity toward a suitable test organism.

Using this rather loose definition of toxin I will relate some of the interesting research which has been car- ried on in this area in recent years. This article, which does not aim at broad coverage, but instead describes some of the highlights of this work, may serve as a worthwhile introduction to marine " t o x i n s " research in general. Because of my own predisposition toward structural chemistry this aspect will be emphasized rather than biology or pharmacology; but hopefully, my remarks will stimulate new interests in many facets of marine-related research.