Wolken-Aerosol-Wechselwirkungen in einer stickstoffdominierten Atmosphäre - Partikelneubildung, Aktivierung und Turbulenz (CAINA-NAT)
Die Bildung und die Eigenschaften von Wolken in der Atmosphäre werden nicht nur durch die Sättigung mit Wasserdampf bestimmt, sondern in hohem Maße auch durch das Vorhandensein geeigneter Aerosolpartikel. Besonders an den Rändern von Wolken herrschen häufig günstige Bedingungen für die Partikelneubildung, was eine enge Kopplung zwischen Aerosol- und Wolkenmikrophysik zur Folge hat. Für zuverlässige Vorhersagen regionaler Wetter- und Klimaszenarien sind daher nicht nur genaue Eingangsdaten – wie die Partikelgrößenverteilung und meteorologische Parameter – entscheidend, sondern auch ein fundiertes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse.
Im Frühjahr 2025 ist an der niederländischen Küste ein internationales Feldexperiment geplant, das den Einfluss von Stickstoffverbindungen auf Wolkeneigenschaften untersucht. Die Region weist im Frühjahr bodennahe, durch landwirtschaftliche Emissionen verursachte, besonders hohe Nitratkonzentrationen auf. Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) wird sich mit der Hubschrauberplattform ACTOS an der Kampagne beteiligen. Im Rahmen des geförderten Projekts CAINA (Cloud-Aerosol-Interactions in a Nitrogen-dominated Atmosphere) wird dabei Wolkenwasser für chemische Analysen gesammelt.
Die Plattform ACTOS bietet zudem die Möglichkeit, zusätzliche Sensoren zur detaillierten Erfassung von Aerosolpartikeln und Wolkentropfen zu integrieren und während der Flugkampagne einzusetzen. So kann unter anderem die vertikale Verteilung von Aerosolen vermessen und gezielt nach Regionen mit erhöhten Konzentrationen kleiner, vermutlich frisch gebildeter Partikel gesucht werden. Erfasst werden unter anderem die Partikelanzahlgrößenverteilung (PNSD), die Tropfenanzahlgrößenverteilung (DNSD), die Gesamtanzahlkonzentration der Partikel, der Flüssigwassergehalt sowie relevante meteorologische Parameter. Ein besonderer Vorteil der ACTOS-Plattform ist die langsame Fluggeschwindigkeit von etwa 20 m/s, die eine sehr hohe räumliche Auflösung der Messungen ermöglicht.
Die erhobenen PNSD- und DNSD-Daten werden kombiniert ausgewertet, um unter anderem Zusammenhänge mit der Herkunft der Luftmassen zu untersuchen. So wird beispielsweise erwartet, dass maritime Luftmassen weniger Aerosolpartikel enthalten, was sich in Wolken mit wenigen, dafür größeren Tropfen widerspiegelt. Die gemessenen Parameter wie Wasserdampfgehalt, Temperatur- und Partikelprofile fließen außerdem als Eingangsdaten in das spektrale Wolkenmikrophysik-Modell SPECS ein, mit dem sich die Wolkenbildung unter Variation der vertikalen Windgeschwindigkeit und Partikelzusammensetzung simulieren lässt. Die Ergebnisse werden anschließend mit den Beobachtungen abgeglichen.
Im Projektteam übernimmt eine Doktorandin, die derzeit am TROPOS ihre Masterarbeit abschließt, die Durchführung und Auswertung der Aerosolmessungen. Die Wolkenmikrophysik sowie die Modellierung werden von einem PostDoc bearbeitet. Die finale Verknüpfung und Interpretation der Daten liegt in der Verantwortung der Doktorandin. Vergleichbare Messkampagnen mit Fokus auf Aerosol- und Wolkenmikrophysik wurden bereits auf Barbados und den Azoren durchgeführt, wo beispielsweise die Partikelneubildung an Wolkenkanten häufig dokumentiert werden konnte. Eine umfassende Untersuchung der Tropfenbildungsprozesse steht jedoch noch aus und soll im Rahmen dieses Projekts systematisch für alle erhobenen Datensätze erfolgen.