ORACLE Project – Organic Aerosol–Cloud Interaction Studies

Die Wolkenbildung stellt weiterhin eine der größten Unsicherheiten in der Klimamodellierung dar, da das Verständnis darüber begrenzt ist, wie organische Verbindungen die Aktivierung von Aerosolen zu Wolkentröpfchen beeinflussen. Das ORACLE-Projekt adressiert diese Unsicherheit, indem untersucht wird, wie semi-flüchtige organische Verbindungen das hygroskopische Wachstum von Aerosolen und deren CCN-Aktivität durch Ko-Kondensation verändern.

Das Projekt kombiniert kontrollierte Kammerexperimente mit fortschrittlicher Aerosolmesstechnik, um atmosphärische multiphasige Wechselwirkungen zu simulieren. Die Experimente wurden in der atmosphärischen Simulationskammer CESAM durchgeführt, in der monodisperse Aerosolpartikel unter kontrollierten Bedingungen relativer Luftfeuchte mit organischen Dämpfen ins Gleichgewicht gebracht wurden. HTDMA-Messungen quantifizierten das hygroskopische Wachstum, während CCN-Aktivierungsexperimente ergänzende Informationen zur Effizienz der Tröpfchenbildung lieferten.

TROPOS beteiligte sich an einmonatigen Kammerexperimenten im CESAM (Abb. 1A). Ein zentraler Schwerpunkt der Studie lag auf dem Verständnis, wie organische Verbindungen das Partikelwachstum und die Oberflächenspannung beeinflussen – beides entscheidende Parameter für die Bildung von Wolkentröpfchen. Zusätzliche Experimente untersuchten Verdunstungsverluste in kommerziellen CCN-Zählern mithilfe einer eigens entwickelten Diffusionskammer, die parallel zu HTDMA-Messungen betrieben wurde (Abb. 1B). Dabei wurde die Aufnahme von Substanzen in Aerosolpartikel bei RH 90 % (HTDMA) quantifiziert sowie der Wasserverlust und der Anstieg der organischen Gasphasenkonzentration beobachtet, wenn die relative Feuchte auf 45 % reduziert wurde – Bedingungen, unter denen die Partikel weiterhin deliqueszent sind, jedoch trockener vorliegen. Dies wurde für verschiedene Mischungen aus SVOCs und SDS wiederholt (Abb. 1C).

Wissenschaftliche Ergebnisse:

  • Mechanistisches Verständnis der Auswirkungen der Ko-Kondensation organischer Aerosole auf das Partikelwachstum
  • Verbesserte Quantifizierung der Oberflächenspannung von Aerosolen und ihres Einflusses auf die CCN-Aktivierung
  • Erweiterte Vorhersagefähigkeit für die Wolkentröpfchenanzahlkonzentration und Niederschlagsprozesse in Klimamodellen

Abbildung 1: Detailliertes Schema des experimentellen Aufbaus der CESAM-Kammer und der Instrumentierung für die Messungen im Rahmen der ORACLE-Kampagne (A). Die Abkürzungen stehen für: Aerosol Aerodynamic Classifier (AAC), Scanning Mobility Particle Sizer (Wet SMPS) zur Bestimmung des feuchten Partikeldurchmessers sowie Mobility Particle Size Spectrometer (MPSS, als trockenes SMPS bezeichnet) zur Bestimmung des trockenen Durchmessers. Blaue Rechtecke kennzeichnen die Positionen von Sensoren zur Messung von Druck (P), Temperatur (T) und relativer Feuchte (RH). Die relative Feuchte in der Kammer wird durch das HUMidificAtioN System (HUMANS) geregelt. Ein Aerodyne HR-ToF-AMS überwacht kontinuierlich die chemische Zusammensetzung der Partikel. Ausschnitt aus der Kampagne mit an die CESAM-Kammer angeschlossener Instrumentierung (B). Zugabe von SDS (Natriumdodecylsulfat) für Experimente zur Oberflächenspannung, sichtbar durch die Blasenbildung im Gefäß (C). Vollständige manuelle Reinigung der CESAM-Kammer, Einblick in das Innere der Kammer (D).