Das deutsche Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) bietet aufgrund seiner Reichweite von bis zu 10000 km, seiner Flughöhe von bis zu 15 km und seiner Flugdauer von bis zu 10 Stunden eine hervorragende Plattform für In-situ- und Fernerkundungsmessungen.

Im Sommer 2021 fand die CIRRUS-HL Kampagne statt, bei der das TROPOS mit zwei Experimenten beteiligt war. Ziel der Mission ist die Untersuchung der Bildung, Eigenschaften und Klimaauswirkungen von Zirruswolken in mittleren und hohen Breiten. CIRRUS-HL war die dritte HALO-Kampagne mit TROPOS-Beteiligung, nach ML-CIRRUS und ACRIDICON-CHUVA (beide 2014).

  • Das Forschungsflugzeug HALO kurz vor dem Start zu einem Messflug während CIRRUS-HL, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Logo der CIRRUS-HL Mission

  • Das Forschungsflugzeug HALO kurz nach dem Start zu einem Messflug bei CIRRUS-HL, Quelle: Andreas Minikin/DLR-FX

HALO-CVI

Für die Wolkenforschung mit HALO wurde am TROPOS ein speziell angepasster CVI Einlass entwickelt (HALO-CVI) und von der Firma enviscope GmbH ingenieur-technisch realisiert. Mithilfe des CVI Einlasses können Tropfen und Eiskristalle beim Flug durch atmosphärische Wolken eingesammelt werden. Nach Abtrocknung der Hydrometeore im HALO-CVI, werden deren Residualpartikel dann in der Flugzeugkabine in Zusammenarbeit mit anderen Forschergruppen chemisch und mikrophysikalisch charakterisiert. Daraus können Rückschlüsse auf die Bildung von Flüssig-, Mischphasen- und Eiswolken gezogen werden. Vom TROPOS werden die Residuenanzahlkonzentration und -größenverteilung gemessen, sowie deren Anteil an schwarzem Kohlenstoff und der gesammelte kondensierte Wassergehalt. Weiterhin werden die Residualpartikel auf Filtern für die Analyse von Eiskeimen gesammelt.

In 2014 war das TROPOS mit dem HALO-CVI System an den ersten HALO Wolkenmissionen ML-CIRRUS (Zirruswolken in mittleren Breiten) und ACRIDICON-CHUVA (hochreichende konvektive Wolken in den Tropen) beteiligt. Von 2018 bis 2021 wurde der Umpositionierung des HALO-CVI von der Rumpfoberseite and die Rumpfunterseite technisch weiterentwickelt und flugzeugtechnisch zugelassen. Dadurch wird eine signifikant bessere Anströmung und somit eine repräsentative Sammlung der Wolkenpartikel erreicht. Von Mai bis Juli 2021 konnte diese optimierte Sammelposition bereits auf der HALO Mission CIRRUS-HL genutzt werden. Dabei wurden über den HALO-CVI Eispartikelresiduen in natürlichen Zirren mittlerer und hoher Breiten, Kondensstreifen- und Ruß Zirren gemessen.

Die genannten HALO Forschungsmissionen und technischen Entwicklungen des HALO-CVI wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG-Schwerpunktsprogramm 1294; Projektnummern 48902976 und 442648163) und von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanziert.

  • HALO-CVI Einlass montiert an der HALO Unterseite für CIRRUS-HL, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

  • Das Forschungsflugzeug HALO mit dem an der Unterseite montierten HALO-CVI Einlass, Quelle: Andreas Minikin/DLR-FX

  • Das CVI Mess- und Steuerungs-Rack in der Kabine des Forschungsflugzeugs HALO, Quelle: Stephan Mertes/TROPOS

HERA4HALO

Der neu entwickelte High-Volume Flow Aerosol Particle Filter Sampler HERA wurde während CIRRUS-HL 2021 erstmals auf HALO eingesetzt. HERA ist eine TROPOS-Entwicklung und wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma enviscope GmbH realisiert. HERA ist ein modulares Gerät, bestehend aus einer Probenahmeeinheit und einer leistungsstarken Pumpeneinheit, die an den Aerosoleinlass des Flugzeugs angeschlossen werden. Die Probenahmeeinheit ist als 7-Wege-Hahn konzipiert, der die Umschaltung zwischen 6 Polycarbonat-Membranfiltern und einem Bypass ermöglicht, wobei jeweils ein Filter beprobt wird. Während CIRRUS-HL war HERA außerhalb von Wolken an den HASI-Einlass zur Probenahme von Aerosolpartikeln und innerhalb von Wolken an den CVI-Einlass zur Probenahme von Eispartikelresiduen angeschlossen.

Einlasskonfiguration für Filtersammlungen mit HERA während CIRRUS-HL.

Einlasskonfiguration für Filtersammlungen mit HERA während CIRRUS-HL.

Die Filter werden mit Hilfe von Offline-Instrumenten auf die Konzentration von eisnukleierenden Partikeln (INP) untersucht. Erste Ergebnisse von CIRRUS-HL zeigen niedrige, aber messbare INP-Konzentrationen, die je nach Probenahmeort, Flughöhe und Herkunft der Luftmassen variieren. Weitere Analysen, z.B. die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der gesammelten Partikel, sind möglich und werden zusammen mit Messungen der Eigenschaften von Aerosolpartikeln und Eispartikelresiduen sowie der Wolkenmikrophysik zur Interpretation der INP Ergebnisse herangezogen.

Die Entwicklung von HERA sowie die Teilnahme an der CIRRUS-HL Mission werden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG-Schwerpunktprogramm 1294; Projektnummern 316508271, 442648163).