Für die primäre Bildung von Eiskristallen in Wolken braucht man im Temperaturbereich zwischen 0°C und ca. -38°C Katalysatoren, die die Nukleation von Eis in einem flüssigen, unterkühlten Tropfen initiieren. Atmosphärische Partikel, die als solche Katalysatoren fungieren können, werden als Eiskeime (INP von englisch "Ice Nucleating Particles") bezeichnet.

Atmosphärische Konzentrationen von INP wurden vom TROPOS in einer Reihe von Messkampagnen an verschiedensten Orten der Erde bestimmt. Dazu wurden atmosphärische Filterproben gesammelt, die dann im Labor ausgewertet wurden. Zum Einsatz kamen dazu "Off-line Messgeräte", die Daten im Temperaturbereich von 0°C bis ca. -25°C liefern können (die Aussagen unten beziehen sich also generell auf diesen Temperaturbereich).

Die erhaltenen Daten sind unter anderem wichtige Eingabeparameter für Klimamodelle und können helfen, zukünftige Modellrechnungen zu verbessern.

 

Folgende Untersuchungen und Beobachtungen wurden dabei bemacht:

- Arktis: bisher 4 verschiedene Projekte:

  • i) Kooperation mit Glaziologen des PSI in der Schweiz, zur Vermessung von INP in Proben von zwei arktischen Eisbohrkernen; im untersuchten Zeitraum (vergangene 500 Jahre) wurde kein deutlicher Anstieg der INP Konzentrationen im Vergleich zu heute gefunden; auf kurzen Zeitskalen (Proben die weniger als ein Jahr umfassten) zeigte die INP Konzentration dabei eine deutlich höhere Streuung der Werte, verglichen zu mehrjährigen Proben, wobei die Streuung im Rahmen dessen blieb, was auch bei heutigen Daten beobachtet wird.

Zeitserien von INP Konzentrationen von vier verschiedenen Mess-Stationen in der Arktis.

  • ii) Kooperation mit Partnern von vier verschiedenen arktischen Mess-Stationen (Alert, Ny Alesund, Utqiagvig (früher Barrow), Villum Research Station); es wurden Jahresgänge der INP Konzentration gefunden, mit hohen Werten im Sommer und niedrigeren Werten im Winter, was besonders ausgeprägt bei sehr eisaktiven INP auftrat. Mögliche Quellen für die sehr eisaktiven INP (die vermutlich biogenen Ursprungs sind) wurden in der Arktis identifiziert (sowohl terrestrische als auch maritime Quellen) (Wex et al., 2018).

INP Konzentrationen während der Polarsternfahrt.

  • iv) Probensammlung während einer Fahrt des deutschen Forschungsschiffs Polarstern im Rahmen von (AC)3 (Projekt B-04) im Mai - Juli 2017 - generell wurden auf dem Meer und über dem Eis niedrige und in der Nähe von Land höhere Anzahlkonzentrationen von INP gemessen. Erste Daten wurden im Rahmen einer Kampagnenübersicht veröffentlicht (Wendisch et al., 2018).

INP Konzentrationen beobachtet während der Umrundung der Antarktis.

- Antarktis: Probensammlung im Southern Ocean während einer Umrundung der Antarktis (incl. der Fahrten von und nach Bremerhaven) im Rahmen der ACE-SPACE Kampagne vom Nov. 2016 bis März 2017; INP Konzentrationen waren generell niedrig, wobei in der Nähe von Festland (Inseln oder Kontinente) höhere Werte beobachtet wurden.

Bild aus Welti et al. (2018) mit den INP Konzentrationen von den Kap Verden.

- Kap Verden: bisher 2 verschiedene Projekte:

  • Kontinuierliche Filterproben aus 4 Jahren (2009-2013) zeigten erhöhte INP Konzentrationen für INP die bei tieferen Temperaturen (< -16°C) aktiv sind in Verbindung mit Sahara-Staub. Eine Quellzuordnung für INP die bei höheren Temperaturen aktiv sind war allerdings nicht möglich. Die dafür gefundene Log-Normalverteilung der INP-Konzentrationen (bei einer Temperatur) lässt darauf schließen, dass die INP nicht aus lokalen Quellen stammen, sondern aus einer Anzahl verschiedener Quellen deren Beiträge während des Transports zufällig turbulent vermischt wurden (Welti et al., 2018).
  • Im Rahmen von MarParCloud wurden INP Konzentrationen für verschiedenste Proben ermittelt: Ozeanwasser, Oberflächen-Mikro-Schicht (SML, von englisch Surface Micro Layer), im Wolkenwasser und in der Luft an zwei Mess-Stationen (Meereshöhe und in 700m auf einem Berg).

Bild aus Chen et al. (2018) auf dem INP Konzentrationen aus Peking mit anderen Parametern verglichen werden.

- Peking: Untersuchung von INP im stark anthropogenen beeinflussten Aerosol, wobei sich ergab, dass auch während Phasen starker Luftverschmutzung keine zusätzlichen INP in die Atmosphäre eingetragen wurden, d.h., dass anthropogene Partikel in Beijing in der Atmosphäre nicht als INP fungierten (Chen et al., 2018) (im untersuchten Temperaturbereich).

 

Skizze aus Knackstedt et al. (2018) die den Kreislauf von biogenen INP in der Natur verdeutlicht.

- Maumee River und Lake Erie (USA): Als Quelle für biogene INP im Maumee River wurde das umliegende Farmland identifiziert (möglicherweise der im Boden auftretende Pilz Mortierella alpina). Im Lake Erie (in den der Maumee River mündet) wurden zusätzliche biogene INP gefunden. Atmosphärische INP Konzentrationen über einem Wehr waren erhöht gegenüber dem Umland, was einen Eintrag von INP aus dem Fluss vermuten lässt. (Knackstedt et al, 2018)

- Zypern: Filterproben wurden sowohl im Rahmen einer gemeinsamen INUIT/BACCHUS-Kampagne (April 2016) als auch von A-LIFE (April 2017) gesammelt.