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 Regionen, für die Untersuchungen gemacht wurden, beinhalten (in der weiter unten aufgeführten Reihenfolge) die Arktis, Antarktis, verschiedene Ozeane, Süc-Chile, Kap Verden/Cabo Verde, Peking, Maumee River und Lake Erik (USA), Zypern.

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

 

Die folgenden nach Regionen gegliederten Untersuchungen und Beobachtungen wurden dabei gemacht:

 

Arktis

Zeitserien von INP Konzentrationen aus grönländischen Eiskernen von ~ 5 Jahrhunderten.

  • 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 bis 1989) wurde keine deutlicher Veränderung 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 (Hartmann et al., 2019).

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., 2019).

INP Spektren der einzelnen während PamArcMip besammelten Filter.

  • iii) Probensammlung an der Villum Research Station, bodengebunden und mit dem Polarflieger Polar 5 des Alfred-Wegener-Instituts im Rahmen der PamArcMip Kampagne im März/April 2018. Für Tage an denen Flüge in niedrigen Höhen über dem zumeist (aber nicht vollständig) zugefrorenen Ozean gemacht worden waren, wurden erhöhte INP Konzentrationen gefunden, während alle weiteren Proben, die in größeren Höhen gesammelt worden waren, niedrige INP Konzentrationen aufzeigten. Für die erhöhten INP Konzentrationen wird ein biogener Ursprung aus Stellen offenen Wassers vermutet (Hartmann et al., 2020).

Bild aus Hartmann et al. (2021) mit atmosphärischen 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 - die beobachteten atmosphärischen INP Konzentrationen variieren bei allen Temperaturen je über 2 bis 3 Größenordnungen, sind zum größten Teil niedriger als in mittleren Breiten und  können ohne Anreicherungsfaktoren von mindestens 104 nicht durch marine Quellen erklärt werden. Eine Quellzuordnung war allerdings nicht klar möglich und lokale marine Quellen müssen in Betracht gezogen werden müssen. Erste Daten wurden im Rahmen einer Kampagnenübersicht veröffentlicht (Wendisch et al., 2019), während Hartmann et al. (2021) die Ergebnisse ausführlich diskutiert.

Antarktis

Überblick über INP Konzentrationen während der gesamten Antarktisumrundung.

  • i) Untersuchungen im Southern Ocean während einer Antarktis Umrundung im Rahmen der ACE-SPACE Kampagne vom Nov. 2016 bis März 2017 (Übersicht über die Kampagne: Schmale et al., 2019).

    INP Konzentrationen waren generell niedrig, wobei in der Nähe von Festland (Inseln oder Kontinente) höhere Werte beobachtet wurden (Tatzelt et al., 2021).

INP Spektren von Filterproben der antarktischen Neumayer Station.

  • ii) Erste Auswertungen von Proben der Langzeit-Filtersammlung auf der antarktischen Neumayer Mess-Station des AWI zeigen INP Konzentrationen die jenen ähneln, die für den antarktischen Ozean in der Literatur beschrieben wurden. Jedoch enthielt auch eine der Proben INP die auf biogene Proteine zurückzuführen sind, da sie durch Hitze zerstört werden konnten.

Verschiedene Ozeane rund um den Globus

Bild aus Welti et al. (2020) mit atmosphärischen INP Konzentrationen während verschiedener Schiffsmesskampagnen.

  • INP Konzentrationen von Schiffsmesskampagnen (sowohl eigene als auch aus der Literatur) sind um 1 bis 2 Größenordnungen niedriger als solche von Messungen die auf Kontinenten durchgeführt wurden. Es wurde kein Beitrag zu INP von Schiffsemissionen im Temperaturbereich oberhalb von -36°C beobachtet (Welti et al., 2020).

Süd-Chile

Ein knappes Jahr an INP Spektren für Cerro Mirador.

  • Im Rahmen des DACAPO-PESO-Projekts werden langfristig in-situ Aerosol Daten und Filter zur Bestimmung von INP Konzentrationen im Süden von Chile gesammelt (Cerro Mirador westlich von Punta Areanas in ca. 600m Höhe). Es wird kein Jahresgang beobachtet, sondern die INP Konzentrationen sind ganzjährig ähnlich hoch wie z.B. auf den Kap Verden (Cabo Verde).

Kap Verden / Cabo Verde

Bild aus Welti et al. (2018) mit für die Kap Verden gemessenen INP Konzentrationen.

  • 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).

Bild aus Gong et al. (2020) mit für die Kap Verden gemessenen INP Konzentrationen.

  • Im Rahmen von MarParCloud wurden INP Konzentrationen für verschiedenste Proben ermittelt: Ozeanwasser, Oberflächen-Mikro-Schicht (SML, von englisch Surface Micro Layer), Wolkenwasser und in der Luft an zwei Mess-Stationen (Meereshöhe und in 700m auf einem Berg). Atmosphärische INP sind in der Mehrheit größer als 1 µm, hoch eisaktive INP sind biogenen Ursprungs, und die beobachteten atmosphärischen INP Konzentrationen können ohne Anreicherungsfaktoren von mindestens 104 nicht durch marine Quellen erklärt werden (Gong et al., 2020).

Peking

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

  • 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 im untersuchten Temperaturbereich nicht als INP fungierten (Chen et al., 2018).

 

Maumee River und Lake Erie (USA)

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

  • 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

Bild aus Gong et al. (2019) mit den auf Zypern gemessenen INP Konzentrationen.

  • Filterproben wurden sowohl im Rahmen einer gemeinsamen INUIT/BACCHUS-Kampagne (April 2016) als auch von A-LIFE (April 2017) gesammelt. Messungen verschiedener Geräte zur Bestimmung der INP Konzentration stimmten in ihren Ergebnissen überein, und es wurde keine Korrelation zwischen Konzentrationen von Partikeln > 500 nm und INP gefunden (Gong et al., 2019).

Literatur:

Chen et al., 2018: Chen, J., Z. Wu, S. Augustin-Bauditz, S. Grawe, M. Hartmann, X. Pei, Z. Liu, D. Ji, and H. Wex (2018), Ice nucleating particle concentrations unaffected by urban air pollution in Beijing, China, Atmos. Chem. Phys., 18, 3523–3539, doi:10.5194/acp-18-3523-2018.

Chen et al., 2021: Chen, J., Wu, Z., Zhao, X., Wang, Y., Chen, J., Qiu, Y., Zong, T., Chen, H., Wang, B., Lin, P., Liu, W., Guo, S., Yao, M., Zeng, L., Wex, H., Liu, X., Hu, M., and Li, S.-M. (2021), Atmospheric humic-like substances (HULIS) act as ice-nucleating particles, Geophys. Res. Lett., 48(e2021GL092443), doi:10.1029/2021GL092443.

Gong et al., 2019: Gong, X., H. Wex, T. Müller, A. Wiedensohler, K. Höhler, K. Kandler, N. Ma, B. Dietel, T. Schiebel, O. Möhler, and F. Stratmann (2019), Characterization of aerosol properties at Cyprus, focusing on cloud condensation nuclei and ice nucleating particles, Atmos. Chem. Phys., 19, 10883-10900, doi:10.5194/acp-19-10883-2019.

Gong et al., 2020: Gong, X., H. Wex, M. van Pinxteren, N. Triesch, K. W. Fomba, J. Lubitz, C. Stolle, B. Robinson, T. Müller, H. Herrmann, and F. Stratmann (2020), Characterization of aerosol particles at Cape Verde close to sea and cloud level heights - Part 2: ice nucleating particles in air, cloud and seawater, Atmos. Chem. Phys., 20, 1451-1468, doi:10.5194/acp-20-1451-2020.

Hartmann et al., 2019: Hartmann, M., T. Blunier, S. O. Brügger, J. Schmale, M. Schwikowski, A. Vogel, H. Wex, and F. Stratmann (2019), Variation of ice nucleating particles in the European Arctic over the last centuries, Geophys. Res. Lett., 46, doi:10.1029/2019GL082311.

Hartmann et al., 2020: Hartmann, M., K. Adachi, O. Eppers, C. Haas, A. Herber, R. Holzinger, A. Hünerbein, E. Jäkel, C. Jentzsch, M. van Pinxteren, H. Wex, S. Willmes, and F. Stratmann (2020), Wintertime airborne measurements of ice nucleating particles in the high Arctic: a hint to a marine, biogenic source for Ice Nucleating Particles, Geophys. Res. Lett., 47(e2020GL087770), doi:10.1029/2020GL087770.

Hartmann et al., 2021: Hartmann, M., X. Gong, S. Kecorius, M. van Pinxteren, T. Vogl, A. Welti, H. Wex, S. Zeppenfeld, H. Herrmann, A. Wiedensohler, and F. Stratmann (2021), Terrestrial or marine? – Indications towards the origin of Ice Nucleating Particles during melt season in the European Arctic up to 83.7°N, Atmos. Chem. Phys., 21, 11613-11636, doi:10.5194/acp-21-11613-2021.

Knackstedt et al., 2018: Knackstedt, K. A., B. F. Moffett, S. Hartmann, H. Wex, T. C. Hill, E. D. Glasgo, L. A. Reitz, S. Augustin-Bauditz, B. F. N. Beall, G. S. Bullerjahn, J. Fröhlich-Nowoisky, S. Grawe, J. Lubitz, and R. M. L. McKay (2018), A terrestrial origin for abundant riverine nanoscale ice-nucleating particles, Environ. Sci. Technol., 12358−12367, doi:10.1021/acs.est.8b03881.

Šantl-Temkiv et al., 2019: Šantl-Temkiv, T., Lange, R., Beddows, D., Rauter, U., Pilgaard, S., Dall’Osto, M., Gunde-Cimerman, N., Massling, A., and Wex, H. (2019), Biogenic sources of Ice Nucleation Particles at the high Arctic site Villum Research Station, Environ. Sci. Technol., 53(18), 10580-10590, doi:10.1021/acs.est.9b00991.

Schmale et al., 2019: Schmale, J., A. Baccarini, I. Thurnherr, S. Henning, A. Efraim, L. Regayre, C. Bolas, M. Hartmann, A. Welti, K. Lehtipalo, F. Aemisegger, C. Tatzelt, S. Landwehr, R. L. Modini, F. Tummon, J. S. Johnson, N. Harris, M. Schnaiter, A. Toffoli, M. Derkani, N. Bukowiecki, F. Stratmann, J. Dommen, U. Baltensperger, H. Wernli, D. Rosenfeld, M. Gysel-Beer, and K. S. Carslaw (2019), Overview of the Antarctic Circumnavigation Expedition: Study of Preindustrial-like Aerosols and their Climate Effects (ACE-SPACE), BAMS, doi:10.1175/BAMS-D-18-0187.1.

Tatzelt et al., 2021: Tatzelt, C., Henning, S., Welti, A., Baccarini, A., Hartmann, M., Gysel-Beer, M., van Pinxteren, M., Modini, R. L., Schmale, J., and Stratmann, F. (2021), Circum-Antarctic abundance and properties of CCN and INP, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 21, doi:https://doi.org/10.5194/acp-2021-700.

Welti et al., 2018: Welti, A., K. Müller, Z. L. Fleming, and F. Stratmann (2018), Concentration and variability of ice nuclei in the subtropical maritime boundary layer, Atmos. Chem. Phys., 18, doi:10.5194/acp-18-5307-2018.

Welti et al., 2020: Welti, A., E. K. Bigg, P. J. DeMott, X. Gong, M. Hartmann, M. Harvey, S. Henning, P. Herenz, T. C. J. Hill, B. Hornblow, C. Leck, M. Löffler, C. S. McCluskey, A. M. Rauker, J. Schmale, C. Tatzelt, M. van Pinxteren, and F. Stratmann (2020), Ship-based measurements of ice nuclei concentrations over the Arctic, Atlantic, Pacific and Southern Ocean, Atmos. Chem. Phys., 20, doi:10.5194/acp-2020-466.

Wendisch et al., 2019: Wendisch et al. (2019), The Arctic cloud puzzle: Using ACLOUD/PASCAL multi-platform observations to unravel the role of clouds and aerosol particles in Arctic Amplification, BAMS, doi:10.1175/BAMS-D-18-0072.1

Wex et al., 2019: Wex, H., L. Huang, W. Zhang, H. Hung, R. Traversi, S. Becagli, R. J. Sheesley, C. E. Moffett, T. E. Barrett, R. Bossi, H. Skov, A. Hünerbein, J. Lubitz, M. Löffler, O. Linke, M. Hartmann, P. Herenz, and F. Stratmann (2019), Annual variability of ice nucleating particle concentrations at different Arctic locations, Atmos. Chem. Phys., 19, 5293–5311, doi:10.5194/acp-19-5293-2019.