Vertical Turbulent Aerosol Particle Transport Above Open Water and Ice in the Central Arctic during Summertime (APAICA)

Aerosolpartikel sind ein zentraler Bestandteil des arktischen Klimasystems. Je nach ihren optischen Eigenschaften, ihrem Potenzial zur Eisbildung und ihrer Fähigkeit, arktische Wolken zu bilden und zu verändern, beeinflussen sie maßgeblich den Strahlungshaushalt. Daher ist es entscheidend, Quellen und Senken arktischer Aerosole – einschließlich des vertikalen Transports – zu identifizieren und zu quantifizieren sowie ihre optischen Eigenschaften und ihre Rolle bei der Wolkenbildung zu charakterisieren.

Trotz ihrer Bedeutung gibt es bislang nur wenige Messungen des Partikelflusses zwischen Oberfläche und Atmosphäre über offenem Wasser oder Meereis in der zentralen Arktis. Auch Daten zu den physikalischen und chemischen Eigenschaften arktischer Aerosole sind nach wie vor begrenzt. In diesem Projekt liegt der Fokus auf dem turbulenten Partikelfluss sowie auf schwarzem Kohlenstoff (Black Carbon, BC) und eisnukleierenden Partikeln (INPs) in der Luft und im Ozeanwasser.

Ein besseres Verständnis der arktischen Aerosole und Wolken – insbesondere gemischtphasiger Wolken – ist essenziell, um die starke Erwärmung in der Arktis, auch bekannt als Arctic Amplification (Serreze und Barry, 2011), besser erklären zu können. Aerosole und Wolken sind in ein komplexes Netz von Wechselwirkungen und Rückkopplungen eingebunden (Morrison et al., 2012). Dabei spielt insbesondere die kalte und gemischte Phase in diesen Wolken eine wichtige Rolle. Die Quellen und Häufigkeiten von INPs sind bislang jedoch unzureichend verstanden, weshalb weitere detaillierte Untersuchungen notwendig sind (Solomon et al., 2018).

Im Rahmen der Polarstern-Expedition PS131 wollen wir zur übergeordneten Fragestellung „Kopplung zwischen Ozean, Meereis und Atmosphäre in der marginalen Eiszone (MIZ) und deren Einfluss auf das Ökosystem“ beitragen. Dabei stehen folgende Forschungsfragen im Fokus:

• Wie groß sind die turbulenten Partikelflüsse – in Bezug auf Stärke und Richtung – und wie verändern sie sich in Abhängigkeit von Oberfläche und meteorologischen Bedingungen?
• Welchen Anteil haben (i) lokale Emissionen vom Ozean und (ii) Partikelneubildung (NPF) am Aerosolhaushalt der marinen Grenzschicht in der Arktis? Welche Faktoren steuern diese Prozesse?
• Wie hoch sind die Konzentrationen von schwarzem Kohlenstoff in der Luft, im Nebel und im Ozean?
• Wie hängen atmosphärischer und ozeanischer BC zusammen, und welche Rolle spielt der Mischungszustand bei der Ablagerung?
• Was sind die Hauptquellen von INPs in der arktischen marinen Grenzschicht, und in welchem Ausmaß trägt der Ozean zur Atmosphäre bei?

Für die Expedition wurde ein spezielles Messsystem zur Erfassung von Aerosolflüssen entwickelt, das erfolgreich zum Einsatz kam – besonders System 1, das am Bugausleger installiert war. Die regelmäßige Qualitätskontrolle der Daten zeigte gute Ergebnisse. Erfreulicherweise gelang es uns auch, während der Fahrt Messungen durchzuführen, sodass Daten unter wechselnden Eisbedingungen aufgezeichnet wurden. Dies erlaubt einen wertvollen Vergleich von Partikelflüssen über unterschiedlichen Oberflächen, wenn zusätzliche Informationen wie Eisdicke oder Eiskonzentration berücksichtigt werden. Abbildung 2 zeigt eine Übersicht der Messorte über verschiedenen Oberflächen. Insgesamt wurden 25 Messungen mit System 1 (rot markiert) über Ozean, Schmelzwasserflächen und Meereis mit unterschiedlichen Konzentrationen durchgeführt. Darüber hinaus erfolgten fünf vertikale Profilmessungen der Partikelkonzentration.

Die detaillierte Auswertung der Daten erfolgt nach der Expedition am TROPOS und an der TU Berlin. Online-Messungen von refraktärem schwarzem Kohlenstoff (rBC) und dessen Mischungszustand mit dem SP2 sowie begleitende Offline-Analysen von See- und Nebelwasserproben sollen Aufschluss über Transportwege von BC-Partikeln im arktischen MIZ geben. Frühere Studien deuten darauf hin, dass lokale marine Quellen von INPs existieren, allerdings ist deren genaue Herkunft schwer einzugrenzen. Durch die Analyse von Meerwasser-, Aerosol- und Nebelwasserproben sollen die Zusammenhänge zwischen diesen Kompartimenten besser verstanden und Hinweise darauf gewonnen werden, ob der Ozean eine bedeutende Quelle für atmosphärische INPs darstellt.

Die parallele Probenahme von Aerosolen, Nebel- und Wolkenwasser sowie Ozeanwasser in Kombination mit Partikelflussmessungen bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Wechselwirkungen zwischen Ozean, Meereis und Atmosphäre in der Arktis besser zu verstehen. Hinsichtlich BC-haltiger Partikel ist bislang nur wenig über deren Ablagerung im Ozean bekannt und auch hier kann diese Studie neue Erkenntnisse liefern.