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

  • Bestimmung der chemischen und mikophysikalischen Eigenschaften von Eispartikelresiduen in atmosphärischen Mischphasen- und Eiswolken
  • Vergleich der mikrophysikalischen und chemischen Eigenschaften der Eispartikelresiduen (engl. Ice Particle Residues, IPR) mit Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (engl. Ice Nuceating Particles, INP) identifiziert werden
  • Beurteilung der atmosphärischen Relevanz bestimmter Aerosoltypen bzgl. der heterogenen Eisbildung in atmoshärischen Wolken, u.a. zur Prozessuntersuchungen in Laborexperimenten
  • Bereitstellung von Eingangs- und Validierungsparametern für Wolkenmikrophysik-Modelle
  • Untersuchung der genannten Punkte für verschiedene Wolkentypen: Mischphasen wolken in gemäßigten Breiten und der Arktis, Zirren und Kondenstreifen

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, Morphologie) und chemisch (Zusammensetzung, Mischungszustand) analysiert in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen anderer Forschungsinstitute. Aktuelle Forschungsprojekte in der atmosphärische Mischphasen- und Eiswolken untersucht werden sind INUIT und  ML-CIRRUS.

INUIT: Jungfraujoch, Schweiz, bodengebunden

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 (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 an den internationalen CLACE (Cloud and Aerosol Characterization Experiment) und INUIT (Ice Nuclei research UnIT) Wolken-Feldmesskampagnen teilgenommen, um folgende wissenschaftliche Ziele zur heterogenen Eisbildung in realen Wolken und somit zu atmosphärischen Eiskeimen (engl. ice nucleating particle, INP) zu verfolgen:

• Mikrophysikalische und chemische Charakterisierung von Residualpartikeln kleiner Eiskristalle in atmosphärischen Mischphasenwolken

• Vergleich der mikrophysikalischen und chemischen Eigenschaften der Eispartikelresiduen (engl. Ice Particle Residues, IPR) mit atmosphärischen Aerosolpartikeln, die in Eiskeim-Zählern als IN heterogene Eisnukleation hervorrufen

• Bestimmung der atmosphärischen Relevanz bestimmter Aerosoltypen bzgl. der heterogenen Eisbildung in unterkühlten Wolken, u.a. zur Prozessuntersuchungen in Laborexperimenten

Um die zu analysierenden IPR als atmosphärische Eiskeime betrachten zu können, wird der Durchmesser der gesammelten Eispartikel durch den Ice-CVI begrenzt (< 20 µm), da bis zu dieser Größe Eispartikel nur durch Wasserdampfdiffusion wachsen und kaum interstitielles Aerosol aufnehmen. Durch mehrere Einlasskomponenten werden größere Eiskristalle, interstitielle Aerosolpartikel und unterkühlte Tropfen abgeschieden, wobei die Geometrien und Flüsse so dimensioniert sind, dass kein Eispartikel-Zerbrechen oder Tropfen-Zerplatzen auftreten.

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Forschergruppe INUIT, Förderkennzeichen STR 453/7-2)

Literatur:

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Verheggen, B., J. Cozic, E. Weingartner, K. N. Bower, S. Mertes, P. Connolly, M. Gallagher, M. Flynn, T. W. Choularton and U. Baltensperger (2007), Aerosol partitioning beween the interstitial and the condensed phase in mixed-phase clouds, J. Geophys. Res. - Atmos.112(D23): D23202, DOI: doi:10.1029/2007JD008714

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

Kupiszewski, P., E. Weingartner, P. Vochezer, M. Schnaiter, A. Bigi, M. Gysel, B. Rosati, E. Toprak, S. Mertes and U. Baltensperger (2015), The Ice Selective Inlet: a novel technique for exclusive extraction of pristine ice crystals in mixed-phase clouds, Atmos. Meas. Tech.8: 3087-3106, DOI: doi:10.5194/amt-8-3087-2015

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

ML-CIRRUS: Mitteleuropa, flugzeuggetragen

Die wissenschaftlichen Ziele von ML-CIRRUS (Projektseite) sind u. a. die Untersuchung der Bildung und Entwicklung natürlicher und vom Flugzeugverkehr beeinflusster Zirren in mittleren Breiten. Dafür wurden Zirren in Flugkorridoren und in Flughafennähe aber auch in sauberen Luftmassen gemessen. Die Messungen fanden im Frühjahr 2014 mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO über West-, Süd- und Zentraleuropa statt. Dabei wurden über den HALO-CVI Einlass die Residuen der Zirren-Eispartikel chemisch und mikrophysikalisch analysiert.

Dieses Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Förderkennzeichen ME 3534/1-2)

Literatur:

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