Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in Passatwindwolken

 

Neben dem Vertikalwind in der Wolkenbasis spielen die mikrophysikalischen Eigenschaften der Aerosolpartikel die entscheidende Rolle für die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen und die sich daraus ergebenden mikrophysikalischen und Strahlungseigenschaften der Wolke. Daher ist es von großem Interesse zu untersuchen, welche Partikel unter atmosphärischen Bedingungen zu Wolkentropfen aktiviert werden und welche als interstitielle Partikel in der Wolke erhalten bleiben.

Als Bestandteil der helikoptergetragenen Messplatform  (ACTOS) wurde am TROPOS ein kompaktes und leichtes SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer)-System gebaut. In Kombination mit einem optischen Partikelzähler (OPC) und einen Total-Partikelzähler (CPC) stellt das SMPS ein stabiles und gut charakterisiertes System zur Bestimmung der Partikelanzahlgrößenverteilungen in der Umgebung von Grenzschichtbewölkung dar.

Abb. 1: Partikelanzahlgrößenverteilungen gemessen innerhalb (blau) und außerhalb (rot) von Wolken (Konzentrationen: rechte y-Achse) sowie die daraus resultierende Fraktion der aktivierten Partikel (η, schwarz). Die schraffierten Flächen stellen die Anzahl der aktivierten Partikel dar (Nact).

Abbbildung 1 zeigt ein Beispiel für innerhalb (blau) und außerhalb von Wolken gemessene Anzahlgrößenverteilungen. Während die Aerosolanzahlgrößenverteilung außerhalb der Wolke eine bimodale Verteilung zeigt, was typisch ist für marines Aerosol, besteht die innerhalb der Wolke gemessene Verteilung aus nur einem Mode. Hier wurden Aerosolpartikel, die größer als ca. 80 nm waren zu Wolkentropfen aktiviert. Aus dem Vergleich der beiden Messungen (innerhalb und außerhalb der Wolke) kann die Anzahl der aktivierten Partikel und der 50%-Aktivierungsdurchmesser berechnet werden. Das oben gezeigte Beispiel wurde im Rahmen der Meßkampagne CARRIBA im November 2010 über Barbados gemessen.

Abb. 2: Partikelanzahlgrößenverteilungen (linke Spalte) beobachtet unterhalb der Wolken vor der Küste von Barbados bei unterschiedlicher Aerosolbelastung am 22. April 2011 (wenig CCN, Wolkenkondensationskeime) und am 24.April 2011 (mehr CCN). Auf der rechten Seite sind die am entsprechenden Tag gemessenen Tropfengrößenverteilungen dargestellt.

Abbildung 2 zeigt die Partikelanzahlgrößenverteilungen, wie sie unterhalb der Wolken während der zweiten Phase von CARRIBA 2011 gemessen wurden. Das erste Beispiel wurde am 22. April 2011 unter sehr sauberen Bedingungen gemessen. Die mittlere Gesamtpartikelanzahlkonzentration lag hier bei 115 cm-3 im Vergleich zu 265 cm-3 am 24. April. Die CCN-Konzentration bei einer Übersättigung von 0.25% lag bei 40 cm-3 and 160 cm-3.

Die Unterschiede in der Aerosolbelastung führen zu entsprechenden Unterschieden in den mikrophysikalischen Eigenschaften der Wolke, so u.a. in den Tropfengrößenverteilungen wie sie nahe der Wolkenoberkanten gemessen wurden. Am 22. April wurde eine breite Tropfenverteilung gemessen mit Tropfendurchmessern bis zu 80 μm, was die Bildung von Nieselregen bedeutet. Dagegen waren die größten Tropfen am 24. April nur 50 μm groß und die Verteilung ist deutlich schmaler. Diese beiden Beispiele illustrieren die Bedeutung der Aerosolkonzentration unterhalb der Wolken für die mikrophysikalischen Eigenschaften von Passatwindwolken eindrucksvoll.