Modellierung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkung

Aus der wolkenmikrophysikalischen Sicht kann die Wechselwirkung von Partikeln und Wolken in zwei Hauptgebiete unterteilt werden:

1. Einfluss des Aerosols auf Wolkentropfenaktivierung

Unter atmosphärischen Bedingungen bilden sich Wolkentropfen, wenn die Luft bezüglich Wasser ge- bzw. übersättigt ist. Das überschüssige Wasser bildet dabei keine reinen Wassertropfen, sondern setzt sich auf sog. CCN (Cloud Condensation Nuclei, Wolkenkondensationskeimen) ab. Ob ein Partikel unter den jeweiligen Umständen als CCN dienen kann, hängt sowohl von den Partikeleigenschaften (insbesondere Größe und chemische Zusammensetzung) als auch von der atmosphärischen Dynamik (hauptsächlich der Vertikalgeschwindigkeit) ab. Nahezu alle luftgetragenen Teilchen oberhalb einer gewissen Größe (50-80 nm) sind potentielle CCN. Im Allgemeinen steigt die Tropfenanzahl wenn

• die CCN-Anzahl steigt
• die Partikel größer werden
• die Partikel wasserlöslich sind
• die Aufwindgeschwindigkeit steigt

Änderungen in der Wolkentropfenbildung beeinflussen Wolkeneigenschaften wie Strahlungseigenschaften und die Niederschlagsbildung durch Koaleszenz. Mit dem mikrophysikalischen Modell SPECS wird untersucht, inwiefern eine Wolke (z. B. hinsichtlich Tropfenanzahl, Wassermischungsverhältnis, Niederschlag etc.) auf Änderungen in der Aerosolpopulation reagiert und welcher der oben genannten Parameter bei spezifischen Gegebenheiten dominiert. So steigt z. B. die Tropfenanzahl für niedrige CCN-Konzentrationen bei steigendem Auftrieb (oberhalb eines Schwellwertes) nicht weiter an, wohingegen bei höheren CCN-Zahlen die Tropfenbildung typischerweise sehr sensitiv auf die Änderungen der Vertikalgeschwindigkeit reagiert.

2. Einfluss auf (primäre) Eisbildung

In der Atmosphäre werden unterkühlte Tropfen bis zu einer Temperatur von -40 °C beobachtet, wo dann das homogene Gefrieren einsetzt. Für das Gefrieren bei wärmeren Temperaturen sind Partikel erforderlich, die als sog. IN (Ice Nuclei, Eiskeime) agieren. Verglichen mit den CCN sind die IN eine sehr kleine Teilmenge der atmosphärischen Partikel. Typischerweise sind die IN zumindest in Teilen unlösliche Partikel und können unterteilt werden in

• Biologische Partikel (Bakterien, Pollen, Pilzsporen, ...)
• Mineralstaubpartikel
• Rußpartikel

Diese Partikel sind bei sehr unterschiedlichen Temperaturen und in unterschiedlichen Gefriermoden aktiv. Sie beeinflussen die Eisbildung und damit z. B. den Niederschlag ebenso wie die Wolkendynamik (über die Freisetzung latenter Wärme). Sowohl für CCN als auch für IN erlauben Modelle die Wichtigkeit des Aerosoleinflusses auf die Wolkenmikrophysik mit anderen Antriebskräften wie der zugrundeliegenden generellen Dynamik, der Turbulenz oder anderer Einflüsse zu vergleichen.