TINIA - Einfluss der Turbulenz auf Eiskristallbildung und -diffusionswachstum am Beispiel von stratiformen Mischphasenwolken

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt TINIA zielt darauf ab, das grundlegende Verständnis der physikalischen Prozesse, die in stratiformen Mischphasenwolken auftreten (dünne Schichtwolken) zu verbessern. Diese Wolkenart ist durch das gleichzeitige Vorhandensein von unterkühlten Wolkentröpfchen und Eiskristallen gekennzeichnet und hat einen großen Einfluss auf Wetter und Klima. So wird beispielsweise angenommen, dass stratiforme Mischphasenwolken in der Arktis eine entscheidende Rolle in Bezug auf die Erwärmung der Arktis spielen. Obwohl das Wissen über diese Wolkenart in den letzten Jahrzehnten deutlich zugenommen hat, sind die relevanten mikrophysikalischen Prozesse und Wechselwirkungen immer noch schlecht verstanden und quantifiziert. Zentrale Fragen sind beispielsweise, wie turbulente Temperatur- und Sättigungsschwankungen im Allgemeinen die Bildung und das diffusive Wachstum von Eiskristallen beeinflussen und wie die Wolkenturbulenz in stratiformen Mischphasenwolken diese mikrophysikalischen Prozesse im Speziellen beeinflusst.

Im Rahmen des Projekts wird eine Kombination aus Laborstudien, direkter numerische Simulation und atmosphärischen Beobachtungen eingesetzt, um diese Fragen zu beantworten.

• Die Laborstudien finden im turbulenten Feuchtluft-Windkanal LACIS-T sowie in der PI cloud chamber (Michigan Tech, Houghton (MI), USA in Kooperation mit Prof. Raymond A. Shaw) statt, um die Auswirkungen definierter Turbulenz auf die Eiskristallbildung und derem diffusivem Wachstum unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.
• Die atmosphärische Beobachtungen, die u.a. im Rahmen ein Flugzeugmesskampagne (BACSAM II) gewonnen wurden, dienen als Ausgangspunkt für die Laborstudien als auch die direkten numerischen Simulationen, denen sie entscheidende Start- und Randbedingungen liefern.
• Die Direkten Numerischen Simulationen werden durchgeführt, um den Einfluss von Turbulenz auf die Eiskristallbildung und das Diffusionswachstum in stratiformen Mischphasenwolken zu untersuchen. Die Simulationen kombinieren einen Euler-Turbulenz-Solver, der in der Gruppe von Prof. Juan Pedro Mellado (Universität Hamburg) entwickelt wurde, mit einem Lagrange-Mikrophysikmodell, das von unserem Team implementiert und weiterentwickelt wurde.

Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass turbulente Temperaturschwankungen die Eiskristallbildung zu höheren mittleren Temperaturen verschieben. Dies kann potentiell einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften und das Verhalten der stratiformen Mischphasenwolken haben, und wird in den Simulationsstudien nun weiter untersucht. In Summe birgt die Kombination aus Laborstudien, atmosphärischen Beobachtungen und numerischen Simulationen ein großes Potenzial, um unser grundlegendes Verständnis über das Verhalten von stratiformen Mischphasenwolken und ihre Rolle in Wetter und Klima zu erweitern.