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Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Kompositionsanalyse von Eisresiduen mittels der Kombination von Aerosol-Massenspektrometrie mit einem virtuellem Gegenstromimpaktor

Dieser Fortsetzungsantrag eines bestehenden Forschungsprojekts innerhalb der Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research UnIT) hat zum Ziel, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von atmosphärischen Eiskeimen (ice nucleating particles, INP) und Eispartikelresiduen (ice particle residuals, IPR) zu untersuchen. Es werden hauptsächlich zwei Messtechniken eingesetzt: virtueller Gegenstromimpaktor und Laserablationsmassenspektrometrie. Eiskeime (INP) aus atmosphärischem Aerosol werden erst in einem Eiskeimzähler aktiviert, so dass sich Eiskristalle bilden, die dann mit einem bepumpten Gegenstromimpaktor aufgrund ihrer Größe extrahiert und verdunstet werden können. Die freigesetzten INP können wiederum mit dem Massenspektrometer oder anderen Messtechniken untersucht werden. Dieses Experiment wird während einer Feldmesskampagne in der Nähe der Quellen von potentiell guten Eiskeimen (Mineralstaub, Biopartikel, anthropogene Partikel) durchgeführt. Ein geeigneter Kampagnenort hierfür ist die Mittelmeerregion, z.B. Südspanien. Die Eispartikelresiduen werden direkt aus unterkühlten Mischphasenwolken gesammelt. Hierzu wird ein spezieller Eis-Gegenstromimpaktor eingesetzt, der nur Eiskristalle sammelt und von den unterkühlten Wolkentröpfchen trennt. Nach der Sammlung wird das Eis der Eiskristalle verdunstet, so dass die Eisresidualpartikel freigesetzt werden und mittels des Laser- Ablationsmassenspektrometers analysiert werden können. Dieses Experiment wird auf einer Bergstation (Jungfraujoch) durchgeführt. Die Kombination aus Eiskeimzähler, bepumptem Gegenstromimpaktor und Massenspektrometer wird auch unter Laborbedingen zur Bestimmung der Eiskeimfähigkeit von internen und externen Partikelmischungen (z.B. biologisch/mineralisch) betrieben. Das Laserablationsmassenspektrometer in seiner Eigenschaft als Einzelpartikel-Analysegerät wird ebenfalls dazu eingesetzt, um den Mischungszustand der erzeugten Mischpartikel zu charakterisieren.

Phosphor Speziation in Mineral Staub und Marineaerosol Partikeln

Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.

WF 3200 Lokaler Immissionsschutzwald

Immissionsschutzwald mindert schädliche oder belästigende Einwirkungen von Stäuben, Aerosolen, Gasen oder Strahlungen sowie Lärm auf Wohn-, Arbeits- oder Erholungsbereiche oder andere schutzbedürftige Objekte durch Absorption, Ausfilterung oder Sedimentation, sowie durch Förderung von Thermik und Turbulenz. Er mindert die Schallausbreitung von Lärmquellen. Immissionsschutzwald ist definiert durch seine Lage zwischen Emittenten und einem zu schützenden Bereich. Immissionsschutzwald mindert schädliche oder belästigende Einwirkungen von Stäuben, Aerosolen, Gasen oder Strahlungen sowie Lärm auf Wohn-, Arbeits- oder Erholungsbereiche oder andere schutzbedürftige Objekte durch Absorption, Ausfilterung oder Sedimentation, sowie durch Förderung von Thermik und Turbulenz. Er mindert die Schallausbreitung von Lärmquellen. Immissionsschutzwald ist definiert durch seine Lage zwischen Emittenten und einem zu schützenden Bereich.

Sentinel-5P TROPOMI - Aerosol Optical Depth (AOD), Level 3 - Global

Aerosol optical depth (AOD) as derived from TROPOMI observations. AOD describes the attenuation of the transmitted radiant power by the absence of aerosols. Attenuation can be caused by absorption and/or scattering. AOD is the primary parameter to evaluate the impact of aerosols on weather and climate. Daily AOD observations are binned onto a regular latitude-longitude grid. The TROPOMI instrument onboard the Copernicus SENTINEL-5 Precursor satellite is a nadir-viewing, imaging spectrometer that provides global measurements of atmospheric properties and constituents on a daily basis. It is contributing to monitoring air quality and climate, providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the top of atmosphere solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum. The operational trace gas products generated at DLR on behave ESA are: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4), together with clouds and aerosol properties. This product is created in the scope of the project INPULS. It develops (a) innovative retrieval algorithms and processors for the generation of value-added products from the atmospheric Copernicus missions Sentinel-5 Precursor, Sentinel-4, and Sentinel-5, (b) cloud-based (re)processing systems, (c) improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users, and (d) data visualization services.

Sentinel-5P TROPOMI – Ultraviolet Index (UVI), Level 3 – Global

UV Index (UVI) as derived from TROPOMI observations. The UVI describes the intensity of the solar ultraviolet radiation. Values around zero indicate low, values greater than 10 indicate very high UV exposure on the ground. The TROPOMI instrument onboard the Copernicus SENTINEL-5 Precursor satellite is a nadir-viewing, imaging spectrometer that provides global measurements of atmospheric properties and constituents on a daily basis. It is contributing to monitoring air quality and climate, providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the top of atmosphere solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum. The operational trace gas products generated at DLR on behave ESA are: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4), together with clouds and aerosol properties. This product is created in the scope of the project INPULS. It develops (a) innovative retrieval algorithms and processors for the generation of value-added products from the atmospheric Copernicus missions Sentinel-5 Precursor, Sentinel-4, and Sentinel-5, (b) cloud-based (re)processing systems, (c) improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users, and (d) data visualization services.

Nachverfolgung des Lebenszyklus von Eiskeimen zur Verbesserung von Klimaprojektionen

Wolken und Aerosole beeinflussen den Energiehaushalt und den Wasserkreislauf der Erde. Die Wolkenphase – ob eine Wolke aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln besteht – beeinflusst den Strahlungseffekt der Wolken, da Wolkentröpfchen zahlreicher und kleiner sind als Eispartikel und daher mehr Sonnenstrahlung reflektieren.Durch die Erwärmung der Erde und der Atmosphäre durch den Klimawandel werden in Mischphasewolken (die aus Wassertröpfchen und Eispartikel bestehen können) Eispartikel teilweise durch Wassertröpfchen ersetzt und die Wolkenalbedo nimmt zu. Das führt zu einer negativen Rückkopplung, der sogenannten Wolkenphasenrückkopplung. Die Stärke dieser Rückkopplung hängt in Klimamodellen von der Repräsentation der Eisnukleation ab. Es wird immer deutlicher, dass die Schwankungsbreite von Klimaprojektionen (+1,8 bis +6,5 K) in der neuen Generation von Klimamodellen stark von der simulierten Wolkenphasenrückkopplung abhängt. Der gesellschaftliche Nutzen einer Verbesserung der Genauigkeit von Klimaprojektionen wird auf über 10 Millionen Millionen US-Dollar geschätzt. Eine bessere Darstellung der Eisbildung im Mischphasenregime in Klimamodellen ist deshalb dringend erforderlich.Aerosole können als Eiskeime, die das Gefrieren von Tröpfchen bewirken, die Häufigkeit von Eiswolken erhöhen und die Wolkenbedeckung und den Wassergehalt verringern. Insbesondere Mineralstaub kontrolliert häufig die Eisbildung in Wolken.In früheren Studien habe ich wichtige Diskrepanzen bezüglich der staubgetriebenen Wolkenvereisung im ECHAM-HAM Klimamodell und Satellitenbeobachtungen identifiziert, die sehr wahrscheinlich auch in anderen Klimamodellen vorhanden sind. Um diese zu beheben, werde ich in ECHAM-HAM Eisprozesse implementieren, die für das staubgetriebene Gefrieren von Wolkentröpfchen relevant sind, aber derzeit noch fehlen: Erstens werde ich eine Nachverfolgung von Eiskeimen implementieren, insbesonders deren Entfernung durch Niederschlagsbildung nach dem Gefrieren von Wolkentröpfchen. Dies sollte die Überschätzung der staubgetriebenen Wolkenvereisung über dem Südpolarmeer im Modell verringern. Zweitens werde ich eine Kategorie für Staub-Eiskeime hinzufügen, die bei Temperaturen unter -35 °C voraktiviert werden. Dies soll zu einem verstärkten Gefrieren von Wolkentröpfchen in Mischphasenwolken führen, was die im Modell gefundene generelle Unterschätzung des staubgetriebenen Gefrierens von Tröpfchen erklären und reduzieren soll. Drittens werde ich das Recycling von Staub-Eiskeimen nach der Sublimation von Eiskristallen implementieren. Dies soll ebenfalls zu einer Verbesserung des Gefrierens von Tröpfchen führen und den im Modell beobachteten Bias zusammen mit den anderen neuen Prozessen beseitigen. Diese neuen Prozesse werden anhand weltraumgestützter Beobachtungen evaluiert und ihre Auswirkungen auf die Wolkenphasenrückkopplung und die Klimasensitivität werden untersucht werden.

Erforschung der atmosphaerischen Aerosole; Groessenverteilung, chemische Zusammensetzung, Kreislauf

Grundlagen zur Erfassung der physikalischen und chemischen Eigenschaften atmosphaerischer Aerosole: Groessenverteilung, chemische Zusammensetzung, insbesondere organische Verbindungen, Elementverteilung. Entwicklung von Messmethoden und -geraeten, Modellrechnungen zur Erfassung von Quellen und Senken, Transportberechnungen.

Schwermetall- und Radioativitaetsbelastung des Unterweserraums

Nachweis von Schwermetallen in a) Aerosolen, b) Boeden, c) Sedimenten, d) organischen Substanzen mit v.a. Roentgenfluoreszenz, auch AAS, HIXE u.a. Nachweis von Radioaktivitaeten in a) - d) mit Antikoinzidenz-Gamma-Spektrometer. Systematische Erfassung raeumlicher und zeitlicher Profile, zwecks Zuordnung zu Emittenten und Erarbeitung von Grundlagen fuer korrigierende Massnahmen. Erstellung eines Umwelt-Belastungs-Katasters; Feststellung von Konzentrations-Korrelationen verschiedener Elemente zwecks Rueckschlusses auf Emittenten etc.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Physikalische und chemische Eigenschaften von Wolkenpartikelresiduen und eisnukleierenden Partikeln in Verbindung mit Wolken in hohen geographischen Breiten vom Mischphasen- bis zum Zirrenniveau (HALO 2020, CIRRUS-HL)

Es wird vermutet, dass Zirruswolken in hohen geographischen Breiten (arktische Zirren), einen positiven „Cloud Radiative Effect“ (CRE) haben und somit zum Phänomen der "Arctic Amplification" beitragen. Das Vorzeichen und die Stärke des CRE arktischer Zirren hängt von deren mikrophysikalischen Eigenschaften, d.h. der Eispartikelkonzentration, dem effektiven Eispartikelradius und dem Eiswassergehalt (IWC), ab. Diese Parameter werden hauptsächlich durch den Eisbildungsprozess (heterogen vs. homogen) und durch den Bildungspfad (in-situ vs. flüssiger Ursprung) bestimmt. Dies impliziert insbesondere für Zirren flüssigen Ursprungs die Beteiligung von eisnukleierenden Partikeln (INP), was deren Häufigkeit, Eigenschaften und Quellen zu Schlüsselfaktoren für die Bildung, die mikrophysikalischen und Strahlungseigenschaften von Zirren in hoher Breiten macht. Informationen über INP in hohen geographischen Breiten im Allgemeinen und in größeren Höhen im Besonderen, extrem rar. Im Rahmen der HALO-Mission CIRRUS-HL wollen wir daher das Wissen hinsichtlich arktischer INP über a) die Charakterisierung von Eispartikel- (IPR) und Wolkentröpfchenresiduen (CPR, Summe aus IPR und Tröpfchenresiduen) in arktischen Zirren und Mischphasenwolken, und b) die vertikal aufgelöste Messung (Mischphase bis Zirrusniveau) von Hochtemperatur INP (> -30°C) außerhalb von Wolken, erweitern. Für die geplanten Untersuchungen werden der HALO-CVI („Counterflow Virtual Impactor“) und der Aerosolpartikelfiltersammler HERA verwendet werden. Hinter dem HALO-CVI werden Instrumente zur physikalischen (Anzahl der Konzentrationen, Partikelgrößenverteilung, BC-Konzentration) und chemischen (Einzelpartikelzusammensetzung, MPI-C) Charakterisierung der IPR und CPR betrieben. Die von HERA gesammelten Filterproben werden im Anschuss an die Kampagne in den TROPOS-Laboratorien hinsichtlich der physikalischen INP-Eigenschaften (Anzahlkonzentrationen und Gefrierspektren) sowie der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel analysiert.Bei In-Wolken-Messungen werden der HALO-CVI und HERA kombiniert werden. So können die INP, innerhalb der gesammelten IPR (Zirren) und Wolkentropfenresiduen (CPR, in Mischphasenwolken) identifiziert, quantifiziert und charakterisiert werden. Diese INP könnten potenzielle Vorläufer von Zirrus mit flüssigem Ursprung in hohen Breiten sein.In Verbindung mit den Ergebnissen der im Rahmen von CIRRUS-HL durchgeführten in-situ Messungen wolkenmikrophysikalischer Eigenschaften, sowie der Analyse von Rückwärtstrajektorien der untersuchten Luftmassen werden wir a) bzgl. der Häufigkeit und der Eigenschaften von INP ein bisher einmaliges Schließungsexperiment (innerhalb und außerhalb der Wolke) durchführen, b) das Wissen über die raumzeitliche Verteilung, die Eigenschaften und die Quellen von INP signifikant erweitern und c) tiefe Einblicke in INP-Effekte auf die Bildung und die mikrophysikalischen Eigenschaften von Zirruswolken in hohen geographischen Breiten erhalten.

Sonderforschungsbereich Transregio 165 (SFB TRR): Wellen, Wolken, Wetter; Waves to Weather - A Transregional Collaborative Research Center

Die Fähigkeit, das Wetter bis über eine Woche hinaus vorhersagen zu können, erspart unserer Gesellschaft jährlich Kosten in Milliardenhöhe und trägt entscheidend zum Schutz von Leben und Eigentum bei. Die zunehmende Leistungsfähigkeit unserer Computersysteme und neuartige Beobachtungen haben über die Jahre hinweg zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Wettervorhersagequalität geführt. Dennoch kommt es immer noch gelegentlich zu erheblichen Fehlvorhersagen. Dies ist nicht allein auf Defizite in den Vorhersagemethoden zurückzuführen - in einem chaotischen System wie der Atmosphäre gibt es Wettersituationen, die per se schwer vorherzusagen sind. Die gegenwärtige Herausforderung ist daher die Vorhersagbarkeit und insbesondere deren Grenzen, abhängig von der jeweiligen Wettersituation, zu identifizieren um eine bestmögliche Vorhersage bereitstellen zu können. Der TRR 165 wird sich dieser Herausforderung stellen und hat sich zum Ziel gesetzt, durch die Beantwortung der zugrunde liegenden wissenschaftlichen Fragestellungen einer neuen Generation von Wettervorhersagesystemen den Weg zu ebnen. Die wichtigsten Ursachen für verbleibende Unsicherheiten in der derzeitigen numerischen Wettervorhersage sind: A das schnelle Wachstum von Fehlern, die durch nicht oder unzureichend dargestellte physikalische Prozesse wie Konvektion oder Mischung in der Grenzschicht entstehen und letztlich zu Veränderungen der Wellen auf synoptischer Skala führen können, B unser begrenztes Verständnis der physikalischen Prozesse in Wolken und C der relative Einfluss lokaler Faktoren und synoptisch-skaliger Wellen auf das Wetter und dessen Vorhersagbarkeit. Im Rahmen von 'Wellen, Wolken, Wetter' werden diese drei Fragestellungen gemeinsam von Experten der Disziplinen Atmosphärendynamik, Wolkenphysik, Statistik, Inverse Methoden und Visualisierung bearbeitet. Dabei wird TRR 165 eine Vielzahl von Methoden anwenden und neu entwickeln, wie etwa numerische Modelle mit detaillierter Darstellung von Wolkenprozessen und Aerosolen, aber auch Ensemblevorhersagen mit hochentwickelten statistischen Nachbearbeitungsverfahren zur mathematischen Beschreibung der Unsicherheit nutzen. Die zusätzliche Entwicklung neuer, interaktiver Visualisierungsmethoden erlaubt eine rasche und intuitive Erfassung komplexer Informationen, die in Ensemblevorhersagen sowohl zu den Ursachen als auch zur Entwicklung der Unsicherheit meteorologischer Strukturen enthalten sind. Die Gesamtziele von 'Wellen, Wolken, Wetter' sind nur durch die Zusammenführung der Expertise von drei renommierten Forschungsstandorten zu erreichen: München mit der LMU, der TUM, dem DLR; Mainz mit der JGU; und Karlsruhe mit dem KIT. Zudem wird im Rahmen dieses Konsortiums ein innovatives Programm geschaffen, das die Entwicklung von Nachwuchswissenschaftlern im Rahmen eines etablierten Netzwerks erfahrener Wissenschaftler fördern und die Chancengleichheit auf allen Karriereniveaus in den beteiligten Disziplinen verbessern soll.

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