TROPOS beteiligt sich seit vielen Jahren an nationalen und internationalen Wolken-Feldmesskampagnen, die Teil von Forschungsprojekten zur Untersuchung von Aerosol – Wolken – Wechselwirkungen in warmen Wolken sind. Ziele dieser Feldexperimente sind:

  • Identifizierung der chemischen und mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln, die in der realen Atmosphäre Wolkentropfen bilden/nicht bilden (insbesondere in Abgrenzung zur künstlichen Aktivierung in sog. Kondensationskernzählern)
  • Quantifizierung der Verteilung atmosphärischer Aerosolsubstanzen auf die flüssige und interstitielle Phase
  • Bestimmung des Effekts der Wolkenprozessierung auf atmosphärische Aerosolpartikel, wie Änderung der chemischen Zusammensetzung und der Größe
  • Bereitstellung von Eingangs- und Validierungsparametern für Wolkenchemie und -mikrophysik Modelle
  • Untersuchung aller genannten Punkte für verschiedene Wolkentypen: orographische Wolken, tropische Passatwindwolken, kalte aber flüssige Strato-Kumuluswolken
  • Wolke am Messplatz Schmücke im Thüringer Wald, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Passatwind-Wolke erreicht den Messplatz East Peak im tropischen Regenwald auf Puerto Rico, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Bergwolken am Messplatz Schneefernerhaus im Bereich der Zugspitze in den deutschen Alpen, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

Die experimentellen in-situ Wolken-Untersuchungen wurden bisher bodengebunden, d.h. auf Bergmessstationen durchgeführt. Dabei werden die Tropfen und das Zwischenraum-Aerosol mittels eines Gegenstrom-Impaktors (CVI) und eines interstitiellen Einlasses direkt in der Wolke getrennt gesammelt. Nach Abtrocknung der Tropfen im luftgetragenen Zustand innerhalb des CVI werden sowohl die Tropfenresiduen als auch die interstitiellen Partikel mikrophysikalisch (Anzahl, Größe, Morphologie, elektrische Ladung) und chemisch (Zusammensetzung, Mischungszustand) analysiert in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Forschungsinstitute. Aktuelle Forschungsprojekte in der atmosphärische Wolken untersucht werden sind HCCT 2010 (Hill Cap Cloud Thuringia, Schmücke, Deutschland, Nachfolge-Projekt von FEBUKO), PRADACS (Puerto Rico African Dust and Cloud Study, East Peak, Puerto Rico) und ACRIDICON-Zugspitze (Schneefernerhaus, Deutschland).

Die wichtigsten Ergebnisse aus diesen Wolken-Feldmessungen sind:

HCCT-2010, FEBUKO:

  • Mineralstaub beschleunigt die Sulfatbildung in Wolken. Dadurch dass ein Großteil des Sulfats auf den großen Mineralstaubpartikeln sitzt, verringert sich die Sulfat-Lebensdauer, d.h. der indirekte Aerosol-Antrieb von Sulfat erfordert eine Neubewertung (Harris et al., 2013)
  • Größenaufgelöste Aktivierungskurven zeigen eine eindeutige Korrelation mit dem löslichen Anteil der Aerosolpartikel vor der Wolke und besitzen 50 % Aktivierungsdurchmesser zwischen 100 und 200 nm (Mertes et al, 2005a)
  • Eine Massenproduktionsrate von 1.16 µg m-3 h-1 durch die Wolkenprozessierung wurde durch den Vergleich der Größenverteilungen vor und hinter der Wolke experimentell bestimmt, der in derselben Größenordnung liegt wie die entsprechenden Modellrechnungen (Mertes et al, 2005b)

PRADACS:

  • Es wurden experimentelle Hinweise gefunden, dass weit transportierter Sahara-Staub den wolkenmikrophysikalischen Zustand von karibischen Passatwindwolken in sauberen Luftmassen verändert. Die Tropfenkonzentration erhöhte sich, wodurch sich der effektive Wolkentropfenradius verringerte

ACRIDICON-Zugspitze:

  • In den kalten, flüssigen alpinen Wolken wurden 20 bis 30 % der vorhandenen Aerosolpartikel aktiviert und mehr als 50 % der Russmasse in die flüssige Phase überführt
  • Aktivierungsdurchmesser liegen bei ca. 200 nm, was auf geringere Übersättigungen in den Wolken als in tieferen Höhen hinweist

Die Forschung in den genannten Projekten wurde und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Förderkennzeichen ME 3534/1-2)

Literatur:

Harris et al (2013) , Sulfur isotopes highlight the importance of transition metal ion-catalysed oxidation of SO2 in clouds, Science 340: 727-730.

S. Mertes, K. Lehmann, A. Nowak, A. Massling, A. Wiedensohler (2005a), Link between aerosol hygroscopic growth and droplet activation observed for hill-capped clouds at connected flow conditions during FEBUKO, Atmospheric Environment 39(23-24): 4247-4256.

S. Mertes, D. Galgon, K. Schwirn, A. Nowak, K. Lehmann, A. Massling, A. Wiedensohler, W. Wieprecht (2005b), Evolution of particle concentration and size distribution observed upwind, inside and downwind hill cap clouds at connected flow conditions during FEBUKO, Atmospheric Environment 39(23-24): 4233-4245.