BIO-ICE

In der Atmosphärenwissenschaft sind eisnukleierende Partikel (INPs) die Katalysatoren, die erforderlich sind, damit Wassertröpfchen bei Temperaturen wärmer als −38 °C gefrieren. Laborstudien haben gezeigt, dass unter diesen biologische Partikel (Bio-INPs) wie Pollen, Pilzsporen und Bakterien sowie deren Bestandteile (Proteine und Zucker) besonders effizient sind und die Eisbildung bei Temperaturen bis zu −2 °C auslösen.

Trotz ihrer Bedeutung gibt es in Feldmessdaten eine anhaltende „fehlende Verbindung“: Häufig können wir die am Boden gemessenen Konzentrationen primärer biologischer Aerosolpartikel (PBAPs) nicht quantitativ mit der tatsächlich in der Atmosphäre beobachteten eisnukleierenden Aktivität korrelieren. Diese Datenlücke bedeutet, dass aktuelle Klima- und Wettermodelle den Einfluss der Biologie auf Niederschlag und Wolkenlebensdauer wahrscheinlich unterschätzen.

Das BIO-ICE-Projekt zielt darauf ab, die Lücke zwischen der Identifikation von Bioaerosolpartikeln und der Eisnukleationsaktivität durch eine multiskalige Probenahmestrategie zu schließen:

• Zeitliche Skalierung: Wir werden ein 15-monatiges Langzeit-Probenahmeprogramm durchführen, um saisonale Variationen (z. B. Pollensaisons) zu erfassen. Diese werden ergänzt durch hochfrequente „intensive“ Probenahmezeiträume, um zu beobachten, wie biologische Partikel auf spezifische meteorologische Ereignisse wie Kaltfronten oder Starkregen reagieren.
• Bio-INP-Analyse: Jede Probe wird analysiert, um den spezifischen Anteil der Eisnukleation zu bestimmen, der durch biologische Akteure und nicht durch mineralischen Staub oder Ruß verursacht wird.

Ein zentraler Bestandteil dieser Studie ist die Charakterisierung und der Einsatz des hochmodernen Bioaerosol-Monitors SwisensPoleno Jupiter (Swisens, Schweiz). Dieses Instrument charakterisiert einzelne Partikel in Echtzeit mithilfe von drei simultanen Methoden:

• Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF): Zum Nachweis biologischer Marker.
• Polarisation: Zur Bestimmung der Partikelform.
• Digitale Holografie: Zur Bereitstellung von Abbildungen der Partikelmorphologie.

Um die Genauigkeit der KI-gestützten Identifikation des Systems sicherzustellen, werden wir die Ergebnisse gegen traditionelle „Goldstandard“-Methoden validieren: manuelle mikroskopische Auszählung (Hirst-Typ-Fallen) und multispektrale bildgebende Durchflusszytometrie.

Die Messungen werden an der ACTRIS-Station Melpitz durchgeführt, einer ländlichen Hintergrundstation ca. 40 km nordöstlich von Leipzig.

Durch die Herstellung einer klareren Beziehung zwischen spezifischen biologischen Arten (wie lokal windbestäubten Pflanzen) und der Eisbildung wird diese Forschung die in atmosphärischen Modellen verwendeten Parametrisierungen verfeinern. Letztlich führt dies zu robusteren Simulationen der Wolkenmikrophysik und liefert eine bessere Genauigkeit für Niederschlagsvorhersagen und langfristige Klimaprojektionen im Kontext der globalen Erwärmung.