Das Schmücke Wolkenobservatorium

TROPOS implementiert derzeit das Schmücke Wolkenobservatorium (engl.: Schmücke Cloud Observatory, SCO) im Thüringer Wald. Das SCO wird zusammen mit der Schmücke-Station des Umweltbundesamtes (UBA) als eine nationale Einrichtung (engl. National Facility, NF) innerhalb der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS dienen, um langfristige und kontinuierliche Forschungen zu physikalischen und chemischen Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen zu ermöglichen. 

Das Observatorium wird aus drei Stationen bestehen: Der zentralen Wolkenstation mit einem Messturm auf dem Gipfel der Schmücke und zwei Satellitenstationen in den Tälern vor und nach der Schmücke, nahe den Ortschaften Goldlauter und Gehlberg (s. Abbildung 1).

Diese Stationen werden mit modernsten Instrumenten zur Analyse von Gasphase, Partikeln und Wolken ausgestattet, um eine tiefgehende Charakterisierung der Luftmassen vor, während und nach dem Wolkendurchgang zu ermöglichen. Die Bauarbeiten und die Implementierung der Messausrüstung soll bis 2026 abgeschlossen sein.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Konzepts und Aufbaus des Schmücke Wolkenobservatoriums (SCO) mit drei Messstationen.

Wissenschaftliche Bedeutung

Aerosolpartikel und Gase interagieren auf vielfältige Art und Weise mit Wolken. Diese Wechselwirkungen sind in der atmosphärischen Chemie und Mikrophysik von großer Bedeutung, sind jedoch bislang nicht ausreichend gut charakterisiert und verstanden. 

Vergangene Feldexperimente an der Schmücke [Herrmann et al., 2005; Tilgner et al., 2014] lieferten wichtige experimentelle Daten zu chemischen Prozessen in der wässrigen Phase, Veränderung der Wolkenkondensationskeime und Modifikation der Partikelgrößenverteilung und zeigten das große Potenzial des Standortes für detaillierte Studien dieser Art. 

Daher wird das SCO nun als permanente Messtation, innerhalb der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS, für langfristige, kontinuierliche und ganzjährige Untersuchungen der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen eingerichtet. 

Aufbau des SCO

Der spezielle Aufbau des SCO basiert auf vielen Jahren Erfahrung und Entwicklungen bei TROPOS ACD, einschließlich der Feld- und Modellierungsstudien FEBUKO (2001/2002) und HCCT-2010 (2010). 

Er umfasst drei Messstandorte, die orthogonal zum Gebirgskamm Rennsteig im Thüringer Wald und entlang der Hauptwindrichtung Südwest verteilt sind (s. Abbildung 1). 

Der Hauptstandort befindet sich auf dem Gipfel der Schmücke (937 m üNN), wo sich häufig bodenaufliegende Wolken bilden (etwa 200 Tage im Jahr) und daher ideale Bedingungen für stationäre Wolken-Messungen herrschen.

An der Station wird ein 20 Meter hoher Messturm mit einer offenen Dachplattform sowie klimatisierten Laborboxen gebaut (s. Abbildung 2a), der mit modernen Messgeräten für eine tiefgehende Analyse der Spurengase, Partikel und Wolkentröpfchen ausgestattet wird. Unter anderem werden hochauflösende Online-Massenspektrometer für Partikel und Gase (ACSM, PTR-MS), Mobilitätspartikelgrößenspektrometer (MPSS), Rußmessgeräte (Aethalometer), Spurengasmonitore für CO, O3, SO2, NOx, Filtersammler für offline-Untersuchungen zur chemischen Partikelzusammensetzung, Wolkenkondensationskernzähler, Flüssigwassergehalt-Messgeräte, Tropfengrößenspektrometer sowie Wolkenwassersammler für offline-Untersuchungen zu Wolkeninhaltsstoffen betrieben werden.

Abbildung 2: 3D-Visualisierung des Messturms auf dem Gipfel der Schmücke (a) und Containermessstation in Gehlberg (b).

Zusätzlich zum Messturm auf der Schmücke werden zwei Talstationen mit ähnlicher Ausstattung in Goldlauter und Gehlberg (s. Abbildung 2b) als Sattelitenstationen aufgebaut. 

Diese Anordnung der drei Stationen ermöglicht damit die Charakterisierung der Luftmassen vor, während und nach dem Wolkendurchgang und erlaubt die langfristige Untersuchung chemischer und physikalischer Veränderungen, die durch Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen induziert werden.

Neben ihrer Nutzung als permanente ACTRIS-Messstationen sind alle SCO-Stationen flexibel konzipiert worden, so dass die Infrastruktur auch für andere Nutzer, z.B. über transnationalen Zugang (engl. trans-national access, TNA) zur Verfügung steht und weitere Messgeräte während Intensivmessphasen oder in Kooperationsprojekten installiert werden können. 

Fertigstellung des SCO

Das SCO soll bis Mitte 2026 betriebsbereit sein und anschließend die ACTRIS Labels für Cloud und Aerosol in-situ bekommen. Zusammen mit dem Trace Gas in-situ Label der UBA-Station wird die Schmücke NF somit alle drei ACTRIS in-situ Komponenten abdecken. 

Als Wolken-Observatorium wird der Messturm der SCO-Bergstation auch ein wichtiger Standort für das Kalilbrierzentrum für Wolkenwasserchemie (engl. Centre for Cloud Water Chemistry, CCWaC), einer Untereinheit des ACTRIS Themenzentrums Wolken in-situ (Topical Centre Cloud in-situ, TC CIS), darstellen.