TROPOS beteiligt sich seit vielen Jahren an nationalen und internationalen Wolken-Feldmesskampagnen, die Teil von Forschungsprojekten zur Untersuchung von Aerosol – Wolken – Wechselwirkungen in reinen Eiswolken (Zirren, Kondensstreifen) oder Mischphasenwolken in gemässigten Breiten oder in der Arktis sind. Ziele dieser Feldexperimente sind:

  • Bestimmung der chemischen und mikophysikalischen Eigenschaften von Eispartikelresiduen (engl. Ice Particle Residues, IPR)
  • Vergleich der mikrophysikalischen und chemischen Eigenschaften der Eispartikelresiduen mit Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (engl. Ice Nuceating Particles, INP) in Eiskeimzählern identifiziert werden
  • Beurteilung der atmosphärischen Relevanz bestimmter Aerosolpartikeltypen bzgl. der heterogenen Eisbildung in atmoshärischen Wolken, u.a. zu Prozessuntersuchungen in Laborexperimenten
  • Bereitstellung von Eingangs- und Validierungsparametern für Wolkenmikrophysik-Modelle

Die experimentellen in-situ Wolken-Untersuchungen werden sowohl bodengebunden (d.h. vornehmlich auf Bergmessstationen) als auch flugzeuggetragen, durchgeführt. Dabei werden die Eispartikel mittels eines Gegenstrom-Impaktors (CVI) gesammelt. Nach Abtrocknung der Eispartikel im luftgetragenen Zustand innerhalb des CVI werden deren Eisresiduen mikrophysikalisch (Anzahl, Größe) und chemisch (Zusammensetzung, Mischungszustand) analysiert auch in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Forschungsinstitute. Aktuelle Forschungsprojekte in der atmosphärische Mischphasen- und Eiswolken untersucht werden sind INUIT und  ML-CIRRUS.

 

  • Eis-CVI Einlass (rechts) auf der Forschungsstation Jungfraujoch in den Schweizer Alpen, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Projekt-Logo

  • Mischphasenwolke über dem Aletsch-Gletscher kurz vor Erreichen der Forschungsstation Jungfraujoch, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

INUIT: Jungfraujoch, Schweiz, bodengebunden (2004-2007, 2013, 2017)

Das TROPOS hat vor einigen Jahren einen bis heute einzigartigen Einlass zur bodengebundenen Sammlung kleiner Eispartikel in Mischphasenwolken entwickelt, den sogenannten Ice-CVI. Dieser Einlass ist speziell auf die höchste europäische Forschungsstation Jungfraujoch zugeschnitten, wo in den Wintermonaten die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Mischphasenwolken am Höchsten ist. Dort hat das TROPOS mit dem Ice-CVI unter anderem an der INUIT (Ice Nuclei research UnIT) Wolken-Feldmesskampagne 2017 teilgenommen. In der jüngsten, gerade akzeptierten Veröffentlichung (Lacher et al., 2021) konnte gezeigt werden, dass Mischphasenwolken, in denen die Residuenkonzentration und der Anteil von Residuen mit Durchmessern kleiner 100 nm deutlich erhöht ist, als Wolken mit höherer Sekundäreisbildung interpretiert werden können.

 Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG-Forschergruppe 1525, Projektnummer 170852269)

 

  • Das Forschungsflugzeug HALO mit dem am unteren Rumpf installierten HALO-CVI Einlass während CIRRUS-HL, Quelle: Andreas Minikin/DLR-FX

  • HALO-Logo

  • Der HALO-CVI Einlass am unteren Rumpf von HALO während CIRRUS-HL, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

CIRRUS-HL: Nord- und Mitteleuropa, flugzeuggetragen (2021)

Die wissenschaftlichen Ziele der CIRRUS_HL Mission sind die Untersuchung der Bildung und Entwicklung natürlicher und vom Flugzeugverkehr beeinflusster Zirren in mittleren und hauptsächlich hohen Breiten. Dafür wurden Zirren in Flugkorridoren aber auch in sauberen Luftmassen gemessen. Die Messungen fanden von Mai bis Juli 2021 mit dem deutschen >> Forschungsflugzeug HALO über West-, Zentral- und Nordeuropa statt. Dabei wurden über den am TROPOS entwickelten HALO-CVI Einlass die Residuen der Zirren-Eispartikel chemisch und mikrophysikalisch analysiert. Erste Auswertungen dieser Messungen ergaben, dass die Konzentration der gesammelten Residuen und der gesammelte Eiswassergehalt auch in arktischen Zirren, die sich aus aufsteigenden Mischphasenwolken bilden (engl.: liquid phase origin cirrus) signifikant höher sind als in denen, die direkt in der Eisphase entstehen (engl.: in-situ cirrus). Diese Ergebnisse sind konsistent mit den direkten Eispartikelmessungen auf HALO.

Dieses Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG-Schwerpunktsprogramm 1294, Projektnummern 48902976 und 442648163)

 

Literatur zu INUIT:

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Cozic, J., B. Verheggen, S. Mertes, P. Connolly, K. N. Bower, A. Petzold, U. Baltensperger and E. Weingartner (2007), Scavenging of black carbon in mixed phase clouds at the high alpine site Jungfraujoch, Atmos. Chem. Phys.7: 1797-1807

Cozic, J., S. Mertes, B. Verheggen, D. J. Cziczo, S. J. Gallavardin, S. Walter, U. Baltensperger and E. Weingartner (2008), Black carbon enrichment in atmospheric ice particle residuals observed in lower tropospheric mixed phase clouds, J. Geophys. Res. - Atmos.113(D15): D15209, DOI: doi:10.1029/2007JD009266

Cziczo, D. J., O. Stetzer, A. Worringen, M. Ebert, M. Kamphus, J. Curtius, S. Mertes, O. Möhler and U. Lohmann (2009), Inadvertent climate modification due to anthropogenic lead, Nat. Geosci.2(5): 333-336, DOI: doi:10.1038/ngeo499

Kamphus, M., M. Ettner-Mahl, T. Klimach, F. Drewnick, L. Keller, D. J. Cziczo, S. Mertes, S. Borrmann and J. Curtius (2010), Chemical composition of ambient aerosol, ice residues and cloud droplet residues in mixed-phase clouds: Single particle analysis during the Cloud and Aerosol Characterization Experiment (CLACE 6), Atmos. Chem. Phys.10(16): 8077-8095, DOI: doi:10.5194/acp-10-8077-2010

Ebert, M., A. Worringen, N. Benker, S. Mertes, E. Weingartner and S. Weinbruch (2011), Chemical composition and mixing-state of ice residuals sampled within mixed phase clouds, Atmos. Chem. Phys.11: 1-12, DOI: doi:10.5194/acp-11-2805-2011

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Worringen, A., K. Kandler, N. Benker, T. Dirsch, S. Mertes, L. Schenk, U. Kästner, F. Frank, B. Nillius, U. Bundke, D. Rose, J. Curtius, P. Kupiszewski, E. Weingartner, P. Vochezer, J. Schneider, S. Schmidt, S. Weinbruch and M. Ebert (2015), Single-particle characterization of ice-nucleating particles and ice particle residuals sampled by three different techniques, Atmos. Chem. Phys.15: 4161-4178, DOI: doi:10.5194/acp-15-4161-2015

Kupiszewski, P., M. Zanatta, S. Mertes, P. Vochezer, G. Lloyd, J. Schneider, L. Schenk, M. Schnaiter, U. Baltensperger, E. Weingartner and M. Gysel (2016), Ice residual properties in mixed-phase clouds at the high-alpine Jungfraujoch site, J. Geophys. Res. - Atmos.121(20): 12343-12362, DOI: doi:10.1002/2016JD024894

Schmidt, S., J. Schneider, T. Klimach, S. Mertes, L. P. Schenk, P. Kupiszewski, J. Curtius and S. Borrmann (2017), Online single particle analysis of ice particle residuals from mountain-top mixed-phase clouds using laboratory derived particle type assignment, Atmos. Chem. Phys.17(1): 575-594, DOI: doi:10.5194/acp-17-575-2017

Hammer, S. E., S. Mertes, J. Schneider, M. Ebert, K. Kandler and S. Weinbruch (2018), Composition of ice particle residuals in mixed-phase clouds at Jungfraujoch (Switzerland): Enrichment and depletion of particle groups relative to total aerosol Atmos. Chem. Phys.18(19): 13987-14003, DOI: doi:10.5194/acp-18-13987-2018

Literatur zu ML-CIRRUS:

Voigt, C., U. Schumann, A. Minikin, A. Abdelmonem, A. Afchine, S. Borrmann, M. Boettcher, B. Buchholz, L. Bugliaro, A. Costa, J. Curtius, M. Dollner, A. Dörnbrack, V. Dreiling, V. Ebert , A. Ehrlich, A. Fix, L. Forster, F. Frank, D. Fütterer, A. Giez, K. Graf, J.-U. Grooß, S. Groß, K. Heimerl, B. Heinold, T. Hüneke, E. Järvinen, T. Jurkat, S. Kaufmann, M. Kenntner, M. Klingebiel, T. Klimach, R. Kohl, M. Krämer, T. C. Krisna, A. Luebke, B. Mayer, S. Mertes, S. Molleker, A. Petzold, K. Pfeilsticker, M. Port, R. Schlage, M. Schnaiter, J. Schneider, N. Spelten, P. Spichtinger, P. Stock, A. Walser, R. Weigel, B. Weinzierl, M. Wendisch, F. Werner, H. Wernli, M. Wirth, A. Zahn, H. Ziereis and M. Zöger (2017), ML-CIRRUS - The airborne experiment on natural cirrus and contrail cirrus with the high-altitude long-range research aircraft HALO, Bull. Amer. Meteor. Soc.98(2): 271-288, DOI: doi:10.1175/BAMS-D-15-00213.1