Charakterisierung von Tropfenresiduen in atmosphärischen Wolken

TROPOS beteiligt sich seit vielen Jahren an nationalen und internationalen Wolken-Feldmesskampagnen, die Teil von Forschungsprojekten zur Untersuchung von Aerosol – Wolken – Wechselwirkungen in flüssigen Wolken sind. Dabei handelt es sich um orographische Wolken, tropische Passatwindwolken, tiefe und mittelhohe arktische Wolken und kalte aber flüssige Strato-Kumuluswolken. Ziele dieser Feldexperimente sind:

• Identifizierung der chemischen und mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln, die in der realen Atmosphäre Wolkentropfen bilden/nicht bilden (insbesondere im Vergleich zur Partikelaktivierung in Kondensationskernzählern)
• Quantifizierung der Verteilung atmosphärischer Aerosolsubstanzen auf die flüssige und interstitielle Phase
• Bestimmung des Effekts der Wolkenprozessierung auf atmosphärische Aerosolpartikel (Änderung der chemischen Zusammensetzung und der Größe)
• Bereitstellung von Eingangs- und Validierungsparametern für Wolkenchemie und -mikrophysik Modelle

Die experimentellen in-situ Wolken-Untersuchungen werden sowohl bodengebunden (d.h. vornehmlich auf Bergmessstationen) als auch flugzeuggetragen, durchgeführt. Dabei werden Tropfen mittels eines Gegenstrom-Impaktors (CVI) direkt in Wolken gesammelt. Nach Abtrocknung der Tropfen im luftgetragenen Zustand innerhalb des CVI werden die Tropfenresiduen mikrophysikalisch (Anzahl, Größe) und chemisch (Zusammensetzung, Mischungszustand) analysiert, teilweise in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Forschungsinstitute. Forschungsprojekte in der flüssige atmosphärische Wolken untersucht wurden und werden sind HCCT-2010 und  ACLOUD.

HCCT-2010: Hill Cap Cloud Thuringia, Schmücke, Deutschland, bodengebunden (2010)

Durch die Messung von mikrophysikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln vor der Wolke, in der Wolke (zu Tropfen aktivierte Residualpartikel und nicht aktivierte, interstitielle Partikel) und nach der Wolke soll zum einen untersucht werden, welche Aerosoltypen zur Wolkenbildung beitragen und welche nicht, und zum anderen wie aktivierte Aerosolpartikel durch Wolkenprozessierung verändert werden. Auch wenn die eigentliche Messkampagne schon weiter zurückliegt, geht es immer noch ganz um die Frage, welche Übersättigungen in der realen Wolke existieren, die direkt nicht messbar, aber für Wolkenprozessmodellierung ein essentieller Parameter ist. Dieser wichtige Parameter konnte durch einen Vergleich der größenaufgelösten Aktivierungsmessungen von Aerosolpartikeln in einer Wolkenkondensationskammer vor dem Wolkeneintritt mit denen in der realen Wolke (über die Größenverteilung der residualen und interstitiellen Partikel) abgeleitet werden.

Dieses Projekt wurde mit Personalmitteln von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt (Projektnummer 48902976)

ACLOUD: Spitzbergen, Arktis, flugzeuggetragen (2017)

Es gibt starke Indizien, dass niedrige unterkühlte und Mischphasen Wolken beträchtlich zur verstärkten Erwärmung der Arktis beizutragen. Daher wird ein besseres Verständnis der Bildung und Beständigkeit dieser arktischen Wolken benötigt. Eng verbunden mit der Wolkenbildung ist die Frage, auf welchen arktischen Aerosolpartikeln sich diese Wolken formen und was die Quellen dieser Wolkenkondensationskerne sind. Dazu wurden Messungen von Tropfenresiduen und atmosphärischen Aerosolpartikeln unter den Wolken während der Messkampagne ACLOUD mit dem Polar 6 Forschungsflugzeug des Alfred Wegener Instituts durchgeführt. Dabei wurde beobachtet, dass über dem offenen Ozean die wolkenbildenden Partikel fast ausschließlich aus der Grenzschicht stammen und an der Wolkenbasis aktiviert werden, während es über dem See Eis einen essentiellen Anteil dieser Partikel gibt, die von oben in die Wolke eingemischt werden und in höheren Wolkenschichten zur sekundären Tropfenbildung beitragen.

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 172, Projekt B03)

Literatur zu HCCT-2010:

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Roth, A., J. Schneider, T. Klimach, S. Mertes, D. van Pinxteren, H. Herrmann and S. Borrmann (2016), Aerosol properties, source identification, and cloud processing in orographic clouds measured by single particle mass spectrometry on a Central European mountain site during HCCT-2010, Atmos. Chem. Phys.16(2): 505-524, DOI: doi:10.5194/acp-16-505-2016

van Pinxteren, D., K. W. Fomba, S. Mertes, K. Müller, G. Spindler, J. Schneider, T. Lee, J. L. Collett and H. Herrmann (2016), Cloud water composition during HCCT-2010: Scavenging efficiencies, solute concentrations, and droplet size dependence of inorganic ions and dissolved organic carbon, Atmos. Chem. Phys.16: 3185–3205, DOI: doi:10.5194/acp-16-3185-2016

Whalley, L. K., D. Stone, I. J. George, S. Mertes, D. van Pinxteren, A. Tilgner, H. Herrmann, M. J. Evans and D. E. Heard (2015), The influence of clouds on radical concentrations: Observations and modelling studies of HOx during the Hill Cap Cloud Thuringia (HCCT) campaign in 2010, Atmos. Chem. Phys.15: 3289-3301, DOI: doi:10.5194/acp-15-3289-2015

Harris, E., B. Sinha, D. van Pinxteren, J. Schneider, L. Poulain, J. Collett, B. D´Anna, B. Fahlbusch, S. Foley, K. W. Fomba, C. George, T. Gnauk, S. Henning, T. Lee, S. Mertes, A. Roth, F. Stratmann, S. Borrmann, P. Hoppe and H. Herrmann (2014), In-cloud sulfate addition to single particles resolved with sulfur isotope analysis during HCCT-2010, Atmos. Chem. Phys.14: 4219-4235, DOI: doi:10.5194/acp-14-4219-2014

Henning, S., K. Dieckmann, K. Ignatius, M. Schäfer, P. Zedler, E. Harris, B. Sinha, D. van Pinxteren, S. Mertes, W. Birmili, M. Merkel, Z. Wu, A. Wiedensohler, H. Wex, H. Herrmann and F. Stratmann (2014), Influence of cloud processing on CCN activation behavior in the Thuringian Forest, Germany during HCCT-2010, Atmos. Chem. Phys.14: 7859-7868, DOI: doi:10.5194/acp-14-7859-2014

Tilgner, A., L. Schöne, P. Bräuer, D. van Pinxteren, E. Hoffmann, G. Spindler, S. A. Styler, S. Mertes, W. Birmili, R. Otto, M. Merkel, K. Weinhold, A. Wiedensohler, H. Deneke, R. Schrödner, R. Wolke, J. Schneider, W. Haunold, A. Engel, A. Wéber and H. Herrmann (2014), Comprehensive assessment of meteorological conditions and airflow connectivity during HCCT-2010, Atmos. Chem. Phys.14(Special Issue: HCCT-2010: A complex ground-based experiment on aerosol-cloud interaction): 9105-9128, DOI: doi:10.5194/acp-14-9105-2014

Harris, E., B. Sinha, D. van Pinxteren, A. Tilgner, W. Fomba, J. Schneider, A. Roth, T. Gnauk, B. Fahlbusch, S. Mertes, T. Lee, J. Collett, S. Foley, S. Borrmann, P. Hoppe and H. Herrmann (2013), Enhanced role of transition metal ion catalysis during in-cloud oxidation of SO2, Science340(6133): 727-730, DOI: doi:10.1126/science.1230911

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Literatur zu ACLOUD:

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Mertes, S., U. Kästner and A. Macke (2019), Airborne in-situ measurements of the aerosol absorption coefficient, aerosol particle number concentration and size distribution of cloud particle residuals and ambient aerosol particles during the ACLOUD campaign in May and June 2017, PANGAEA, doi:10.1594/PANGAEA.900403.