Das TROPOS hat vor einigen Jahren einen bis heute einzigartigen Einlass zur bodengebundenen Sammlung kleiner Eispartikel in Mischphasenwolken entwickelt, den sogenannten Ice-CVI (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 nimmt das TROPOS mit dem Ice-CVI an den internationalen CLACE (Cloud and Aerosol Characterization Experiment) Wolken-Feldmesskampagnen teil, aktuell CLACE2013 (CLACE2013), um folgende wissenschaftliche Ziele zur heterogenen Eisbildung in realen Wolken und somit zu atmosphärischen Eiskeimen (engl. Ice Nuclei, IN) 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
  • Bereitstellung von Eingangs- und Validierungsparametern für Wolkenprozeß-Simulationen, welche heterogene Eisbildung modellieren
  • Erarbeitung von Parametrisierungen heterogener Eisbildung für größerskalige Wetter- und Klimamodelle
  • Unterkühlte Wolken am Messplatz Jungfraujoch in den Schweizer Alpen, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Unterkühlte Wolken am Messplatz Jungfraujoch in den Schweizer Alpen, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Unterkühlte Wolken am Messplatz Jungfraujoch in den Schweizer Alpen, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

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.

Neben dem Ice-CVI wurde ein weiteres CVI System entwickelt (IN-CVI), basierend auf einem gepumpten CVI, welcher hinter einem Eiskeimzähler die dort aktivierten Eispartikel separiert und verdunstet und die freiwerdenden IN zur Analyse bereitstellt. Beide Systeme wurden in der Feldkampagne CLACE2013 innerhalb der DFG-Forschergruppe INUIT (INUIT) eingesetzt. Neben den beiden CVI Systemen werden vom TROPOS Anzahlkonzentration und Größenverteilung der IN und der IPR gemessen.

Die wichtigsten Ergebnisse der früheren CLACE Kampagnen und erste Erkenntnisse von CLACE2013 sind:

  • Die Fähigkeit von Aerosolpartikeln als heterogener Eiskeim zu dienen beginnt ab ca. 200 nm und deren Effizienz nimmt mit zunehmender Größe weiter zu (Mertes et. al (2007))
  • In den untersuchten Eispartikelresiduen ist Russ im Vergleich zum Hintergrunds-Aerosol angereichert (Mertes et. al (2007); Cozic et al. (2008))
  • Die Anzahlkonzentration der Eispartikelresiduen beträgt mehrere hundert Partikel pro Liter, was der Größenordnung der beobachteten kleinen Eispartikel entspricht, während die Anzahlkonzentration der über einen Eiskeimzähler bestimmten Eiskeime ein bis zwei Größenordnungen geringer ist
  • Hauptkomponenten der Eispartikelresiduen sind Mineralstaub und kohlenstoffhaltige Partikel allerdings konnten keine biologischen Partikel nachgewiesen werden. Bleihaltige Partikel wurden stark angereichert in den Eisresiduen gefunden, was auf deren gute Eiskeimfähigkeit hinweist (Cziczo et al (2009); Kamphus et. al (2010); Ebert et. al (2011))

Literatur:

  • S. Mertes, B. Verheggen, S. Walter, P. Connolly, M. Ebert, J. Schneider, K. N. Bower, J. Cozic, S. Weinbruch, U. Baltensperger & E. Weingartner (2007), Counterflow virtual impactor based collection of small ice particles in mixed-phase clouds for the physico-chemical characterization of tropospheric ice nuclei: Sampler description and first case study, Aerosol Science and Technology 41(9): 848- 864, doi:10.1080/02786820701501881.
  • J. Cozic, 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. Journal of Geophysical Research (D) 113(D15): D15209, doi:10.1029/2007JD009266.
  • Daniel J. Cziczo, Olaf Stetzer, Annette Worringen, Martin Ebert, Stephan Weinbruch, Michael Kamphus, Stephane J. Gallavardin, Joachim Curtius, Stephan Borrmann, Karl D. Froyd, Stephan Mertes, Ottmar Möhler & Ulrike Lohmann (2009) Inadvertent climate modification due to anthropogenic lead, Nature Geoscience 2(5): 333-336.
  • M. Kamphus, , 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), Atmospheric Chemistry and Physics 10(16): 8077-8095.
  • M. Ebert, 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." Atmospheric Chemistry and Physics 11: 1-12.