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Aircraft measurements of single particle chemical composition over the Southern Baltic Sea during the BALTIC'15 campaign in 2015 (flight BalticSea_2015_1508260301)

Collection of data sets for the MOSAiC Airborne observations in the Central Arctic (MOSAiC-ACA) campaign, carried out in late summer 2020 northwest of Svalbard

This data set unites the individual data of the MOSAiC Airborne observations in the Central Arctic (MOSAiC-ACA) campaign, carried out in late summer 2020 northwest of Svalbard (Norway). The objective of MOSAiC-ACA was to study turbulent fluxes of energy and momentum in the Arctic boundary layer and low- and mid-level mixed-phase clouds and their role in Arctic amplification in the exit area of the research vessel Polarstern during the MOSAiC expedition. The research aircraft Polar 5 was equipped with active and passive remote sensing instruments, measurements for turbulent and radiative energy fluxes, insitu probes for cloud and aerosol particles, and dropsondes. In total, 10 research flights with 44 flight hours over the open ocean and the marginal sea ice zone have been performed between 30 August and 13 September 2020.

Entwicklung eines Online-Parametrisierungsansatzes zur Vorhersage der Hygroskopizität von organischem Aerosol in der Umgebung auf der Grundlage von hochauflösenden AMS-Messungen

Verschiedene atmosphärische Prozesse werden durch die Wasseraufnahmefähigkeit (Hygroskopizität) von Aerosolpartikel angetrieben, wie z.B. die Lichtstreuung der Partikel, die Bildung von Wolkentröpfchen, die Aktivierung von Wolkenkondensationskeimen (CCN), die Veränderung des hydrologischen Zyklus sowie der Strahlungsantrieb der Wolken. Trotz seiner entscheidenden Rolle für die Atmosphäre und das Klima gibt es immer noch eine große Diskrepanz im Wissen über den Beitrag des organischen Aerosols, das einen größeren Teil der Submikrometer-Partikelmassenkonzentration darstellt, zur gesamten Hygroskopizität. Der folgende Projektantrag schlägt einen ganz neuen Ansatz zur Parametrisierung der hygroskopischen Eigenschaften von organischen Aerosolpartikeln vor, der ein chemisches Online-Funktionskonzept verwendet, das auf der Analyse der organischen Massenspektren aus den Messungen des High Resolution-Time of Flight-Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) basiert. Die Entwicklung dieser Parametrisierung wird auf einer Kombination von Humidified Hygroscopic Tandem Differential Analyzer (HTDMA) und HR-ToF-AMS Messungen in einem dualen, aber komplementären Ansatz basieren. Dazu wird ein intensives Laborscreening von chemischen Verbindungen mit gezielten funktionellen Gruppen und einer Mischung aus verschiedenen organischen Standards durchgeführt werden. Gleichzeitig wird ein maschineller Lernansatz auf der Grundlage früherer TROPOS-Feldkampagnen durchgeführt werden, der Messungen beider Instrumente integriert. Ein Vergleich zwischen den beiden Ansätzen wird für die endgültige Validierung in der Studie durchgeführt werden. Diese Parametrisierung wird dann in zwei Feldkampagnen validiert, die jeweils einer bestimmten Art von organischem Aerosol gewidmet sind: eine von biogenem Aerosol dominierte Umgebung in Melpitz (Deutschland) und eine von städtischem Aerosol dominierte Umgebung in SIRTA (Frankreich), wo beide Instrumente im Rahmen dieses Projekts eingesetzt werden sollen. Die Online-Hygroskopizität des Umgebungsaerosols wird durch die Kombination von HR-ToF-AMS (organisches und anorganisches Aerosol) und optischen Messungen des Aethalometers (äquivalenter schwarzer Kohlenstoff) abgeschätzt und dann mit der vom HTDMA gemessenen verglichen. Unter Ausnutzung der Vorteile der hochauflösenden und einheitlichen Massenspektrenauflösung des HR-ToF-AMS und des Vorhandenseins des Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) an beiden ausgewählten Feldstandorten wird die Methode auch für das ACSM optimiert. Infolgedessen wird eine automatische Routine für beide Instrumente (HR-ToF-AMS und ACSM) entwickelt, die in das ACSM-Netzwerk des Aerosols, Clouds, and Trace gases Research Infrastructure Network (ACTRIS) implementiert wird, um eine einzigartige Möglichkeit für eine zeitnahe und langfristige Messung der Aerosol-Hygroskopizität über Europa zu bieten.

Drehfilter-Messsystem zur Immissionsueberwachung von Aerosolen

Die Ueberwachung der Beta-Aktivitaet von Aerosolen, die von kerntechnischen Anlagen emittiert werden, ist fuer den Umweltschutz von grosser Bedeutung. Zur Messung der Beta-Aktivitaet sowohl im Normalbetrieb als auch im Stoerfall muss ein Messsystem einen Messbereich von etwa 8 Groessenordnungen umfassen. Um den Erforderungen der Ueberwachung zu entsprechen, sollte ein solches System preiswert in Herstellung und Betrieb sein und dem modernen Automatisierungsstandard entsprechen. Das Drehfiltersystem sammelt im 24 h-Zyklus Aerosolproben. Mit drei Detektoren werden die Beta-Aktivitaet der Aerosolprobe waehrend der Probenahme, das Abklingverhalten der Aktivitaet unmittelbar nach der Probenahem und die Aktivitaet langlebiger Nuklide nach Zerfall der kurzlebigen Isotope ermittelt. Die Messergebnisse werden rechnergestuetzt hinsichtlich der natuerlichen und kuenstlichen Radioaktivitaet analysiert. Die Analyse der Zerfallskurve ergibt bereits 3 h nach der Probenahme erste Hinweise auf langlebige kuenstliche Nuklide, die mit den bisher angewandten Verfahren erst nach 20 Tagen nachweisbar waren. Nach der Erprobung des Prototyps befindet sich zur Zedit ein Ueberwachungssystem im Aufbau, das aus mehreren Drehfiltermessstationen und einem Leitrechner zur zentralen Datenerfassung und -auswertung besteht.

Ableitung von Zustandsparametern der Atmosphäre aus Spektroskopischen DOAS - Messungen - RAPSODI

Die Erdatmosphäre unterliegt komplexen chemischen und dynamischen Prozessen, und eine genaue Kenntnis der Vertikalverteilung von Spurengasen und Aerosolen ist von größter Bedeutung für ein tiefgreifendes Verständnis des atmosphärischen Systems. Fernerkundungsmessungen sind bestens geeignet zur Bestimmung der atmosphärischen Vertikalstruktur. Boden- flugzeug- und satellitengebundene Fernerkundungsmessungen ermöglichen eine berührungslose Messung der atmosphärischen Zusammensetzung. Insbesondere stellt die Multi-Axiale Differentielle Absorptionsspektroskopie (MAX-DOAS) eine vielseitige und kostengünstige Methode zur Bestimmung der Vertikalverteilung zahlreicher Spurengase sowie von Aerosolen. Im Rahmen des beantragten Projektes wird ein neuartiger Auswertealgorithmus entwickelt, der eine vollständige Ausschöpfung des Informationsgehaltes von MAX-DOAS Streulichtmessungen zum Ziel hat. Im Gegensatz zu bisherigen Algorithmen erfolgen hierbei DOAS-Auswertung und Bestimmung des Vertikalprofils in einem einzigen Schritt. Von dieser gleichzeitigen Bestimmung von Vertikalprofilen von Spurengasen und Aerosolen direkt aus den gemessenen spektralen Radianzen erwarten wir eine signifikante Erhöhung des Gesamtinformationsgehaltes. Eine Simulation der breitbandigen spektralen Struktur, die in der traditionellen DOAS Analyse ignoriert wird, sowie eine explizite Modellierung der Rotations-Ramanstreuung (Ring-Effekt) liefern zusätzliche Informationen über den Zustand der Atmosphäre. Eine Kopplung eines T-Matrix- und/oder Mie-Streumodells an ein Strahlungstransportmodell ermöglicht in ähnlicher Weise wie bestehende Algorithmen für Aeronet Sonnenphotometermessungen die Bestimmung von mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften, wie z.B. Größenverteilung und komplexer Brechungsindex, von Messungen im solaren Almukantarat. Dieser Algorithmus dient als Basis für eine eingehende Untersuchung des Gesamtinformationsgehaltes von MAX-DOAS Messungen bezüglich Spurengasen, Aerosolextinktion sowie mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften. Messungen mittels eines polarisationssensitiven MAX-DOAS (PMAX-DOAS) Instruments, welches im Rahmen des Projektes entwickelt wird, ermöglichen eine weitere Erhöhung des Informationsgehaltes von Streulichtmessungen. Messungen des Himmelslicht bei verschiedenen Ausrichtungen eines rotierbaren Polarisationsfilters ermöglichen eine Rekonstruktion des Stokesvektors, und polarisationsabhängige Messungen der Intensität, der Spurengassäule sowie des Ringeffektes führen zu einer signifikanten Erhöhung der Genauigkeit von Aerosol- und Spurengasbestimmung. Zu einer vollständigen Nutzung des Informationsgehaltes von PMAX-DOAS-Messungen wird der Auswertealgorithmus auf der Basis eines vektorisierten Strahlungstransportmodells, das die Simulation des gesamten Stokes-Vektors ermöglicht, entwickelt.

Allergien in einem Großbackbetrieb durch Hühnereiaerosol

Ziel: Hühnerei-Aerosol ist in Bäckereien - im Gegensatz zu Mehlstaub - eher selten zu finden, hat aber eine hohe allergisierende Potenz. In einem Großbackbetrieb zeigten vier Beschäftigte allergische Reaktionen bis hin zu asthmatischen Attacken, kurz nachdem eine Druckluft-Sprühstation zur Beschichtung von Backwaren mit flüssigem Hühner-Vollei in die Produktion eingeführt worden war. Ziel des Projektes war, die Exposition und die Lungenfunktion der Beschäftigten zu bestimmen. Methodik: Eingesetzt wurden - personenbezogen und ortsfest - Streulichtmessgeräte, um den Zeitverlauf der Exposition zu erfassen und Probenahmepumpen mit Impingern für die Ermittlung der mittleren Aerosolbelastung. Ergebnisse: Personenbezogene, kontinuierliche Messungen während einer vollständigen Produktionsphase ergaben 4,7 mg/m3 für den Arbeitsplatz an der Sprühstation. Auffallend waren hohe räumliche Gradienten (großer Arbeiter - 35 Prozent, kleine Arbeiterin plus 57 Prozent, ortfeste Messung seitlich - 75 Prozent), hohe Spitzenkonzentrationen (bis 21 mg/m3) und eine Verschleppung des Aerosols über große Hallenbereiche durch die Lüftungsanlage, einer der sensibilisierten Arbeiter reagierte sogar in 30 m Entfernung mit einem Abfall des Einsekundenvolumens um 30 Prozent. Alle vier betroffenen Personen mussten die Tätigkeit beenden, zwei waren schließlich sogar auf Nahrungsmittel allergisch, die Hühnerei enthielten. Das für alle Arbeitnehmer in der Halle bestehende Risiko einer Allergisierung wurde mit Stilllegung der Sprühstation und Ersatz durch Airless-Handpritzpistolen erheblich verringert.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1689: Climate Engineering: Risiken, Herausforderungen, Möglichkeiten?, Grenzen der Wirksamkeit verschiedener Methoden des solaren Strahlungmanagement

Absenkung der CO2 Emissionen, Anpassung und 'Climate Engineering' (CE) werden allgemein als drei unabhängige Vorgehensweisen gegen die negativen Auswirkungen des Klimawandels angesehen. Im Rahmen dieses Projektes zeigen wir die Grenzen des 'Solar Radiation Management' (SRM) durch Sulfataerosol-Eintrag in die Stratosphäre (SAI) und marine Wolkenimpfung (MCB) als Maßnahmen zur Reduktion der globalen bzw. regionalen Temperatur auf. Zum ersten Mal werden dabei die Auswirkungen von gleichzeitig ausgeführtem SAI und MCB umfassend quantifiziert. Wir vermuten, dass die Begrenzung der Wirksamkeit von SAI und MCB bedeutende Auswirkungen auf die rechtliche und politische Betrachtung hat, die das Zusammenwirken und die zeitliche Reihenfolge von Emissionsminderungs-, Anpassungs-, und 'Climate Engineering'- Maßnahmen sowie die Politik der Klimagerechtigkeit bestimmen. Komplexe globale und regionale numerische Simulationsmodelle der Atmosphäre, die dem Stand des Wissens entsprechen, und die eine detaillierte Beschreibung der Atmosphärenphysik und Chemie beinhalten, stellen das wesentliche Werkzeug für die Quantifizierung der Effekte dieser Maßnahmen dar. Die Ergebnisse erlaube es die physikalischen Grenzen der angedachten Maßnahmen zu bestimmen. Die Ergebnisse des Vorhabens dienen als wichtige Grundlagen für andere Projekte im SPP, um eine integrale Bewertung von 'CO2 Mitigation, Adaption und Climate Engineering' zu ermöglichen.

Ausbreitung schwerer Gaswolken

Kalte Gase oder Aerosolwolken in der Atmosphaere koennen schwerer als die Umgebungsluft sein. Die entstehende Bewegung entlang des Bodens soll untersucht werden. Von speziellem Interesse sind die Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Verduennung der Wolke durch die Vermischung mit der umgebenden Luft (Entrainment). Das Problem stellt sich bei der Verdampfung von verfluessigten Gasen (z.B. Erdgas) oder bei Unfaellen in chemischen Anlagen (z.B.Seveso). Staublawinen und Sandsturmfronten haben aehnliche Ausbreitungscharakteristiken. Am Institut wird ein Kanal aufgebaut (2.0 x 1.6 x 22.0 m), in dem die eindimensionale Ausbreitung ueber einer isolierten Unterlage gemessen werden wird. Damit werden theoretische Modelle ueberprueft und empirische Groessen bestimmt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, COALA – Kontinuierliche Beobachtungen von Aerosol-Wolken-Interaktion in der Antarktis

Das unvollständige Verständnis der Wechselwirkung von Aerosolpartikeln mit Strahlung, Wolken und Niederschlag ist eine Schlüsselfrage der Atmosphärenforschung. Detaillierte Beobachtungen sind erforderlich, um die komplexen Zusammenhänge zwischen den beteiligten Prozessen zu erfassen. Dies gilt insbesondere für die abgelegene Region der Antarktis, wo bodengestützte, vertikal aufgelöste Langzeitbeobachtungen von Aerosol, Wolken und Niederschlag selten sind und Satellitenbeobachtungen technischen Beschränkungen unterliegen. Um die Messlücke mit modernsten Beobachtungen zu schließen, wird TROPOS die Messplattform OCEANET-Atmosphere zwischen den Südsommern 2022/23 und 2023/24 an der Station Neumayer III (70,67°S, 8,27°W) einsetzen. OCEANET-Atmosphere ist ein autonomer, polar-erprobter, modifizierter 20-Fuss-Messcontainer, der erst kürzlich erfolgreich während MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) eingesetzt wurde. Die Instrumentierung während COALA umfasst ein Mehrwellenlängen-Polarisations- und ein Doppler-Lidar, ein 35-GHz-Wolkenradar, ein Mikrowellenradiometer sowie jeweils ein 1-d und 2-d-Niederschlags-Disdrometer. OCEANET ist die einzige polare Einzelcontainer-Plattform, die mit Mehrwellenlängen-Lidar, Radar und Mikrowellenradiometer Wolken und Niederschlag sowie mit Doppler-Lidar und -Radar turbulente Luftbewegungen in Wolken an verschiedenen Messstandorten beobachten kann.Die zeitliche und vertikale Auflösung des gewonnenen Datensatzes wird in der Größenordnung von 30 s (2 s für Vertikalgeschwindigkeitsbeobachtungen) und 30 m liegen. COALA ist ein 3-Jahres-Projekt. Ein Postdoktorand wird für den Einsatz von OCEANET-Atmosphere bei Neumayer III und die Datenanalyse verantwortlich sein und dabei von Experten am TROPOS unterstützt. Die Beobachtungen werden in erster Linie dazu dienen, die Schlüsselhypothese von COALA zu untersuchen, dass Aerosol aus dem Südlichen Ozean, den mittleren Breiten und den Subtropen der südlichen Hemisphäre in die Antarktis transportiert wird, wo es die Bildung und Entwicklung von Wolken und Niederschlag beeinflusst. Die Arbeiten konzentrieren sich auf (1) die Untersuchung des Ursprungs, der Häufigkeit und der Eigenschaften des Aerosols über der Station Neumayer III, (2) die Untersuchung des Einflusses von Oberflächen- und Grenzschicht-Kopplungseffekten auf die Eigenschaften und die Entwicklung von tiefen Wolken, (3) die Untersuchung des Beitrags von Dynamik (orographische Wellen), Aerosol und Meteorologie zur Verteilung der Eis- und Flüssigphase in Wolken über Neumayer III, (4) zur Untersuchung der vertikalen Struktur von Wolken und ihrer Beziehung zur Niederschlagsbildung und (5) zur Bewertung regionaler Kontraste in den Eigenschaften von Aerosolen und Wolken und den damit verbundenen Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozessen, indem die Neumayer-III-Beobachtungen von vorhandenen Datensätzen aus Südchile, Zypern, Deutschland und der Arktis kontrastiert werden.

Langjähriges Mittel der Niederschlagsverteilung 1991 - 2020

Die mittlere Niederschlagsverteilung liefert wesentliche Grundaussagen für das Niederschlagsgeschehen in einem Gebiet. Für einzelne Ereignisse können die Niederschlagsverteilungen jedoch erheblich von den mittleren Niederschlagsverteilungen abweichen. Dies gilt insbesondere für Starkregenereignisse, da diese in der Regel räumlich begrenzt und sehr inhomogen verteilt sind (vgl. Spektrum.de online 2016 ). Sie entstehen während der Sommermonate durch konvektive Luftströmungen, die sich selber verstärken. Wenngleich naturräumliche Eigenschaften die Entstehung von Starkregenzellen begünstigen können, unterliegt deren Entstehung einer starken Zufallskomponente. Starkregenereignisse können somit zu einer kleinräumigen Veränderung der jeweiligen Jahres- oder Halbjahresmittelwerte beitragen. Aufgrund der relativ seltenen und räumlich zufällig verteilten Starkregen ist der Effekt einzelner Ereignisse für den hier betrachteten langen Zeitraum von 30 Jahren jedoch relativ gering. Einen bedeutenden Einfluss auf die Witterungsverhältnisse in einem Gebiet hat die Oberflächengestalt der Erde. Gebirgs- und kleinere Hügelzüge, aber auch bereits niedrige Landrücken haben einen Einfluss auf die Niederschlagshöhe. Andere Einflussfaktoren stellen Wälder, Seen, Felder u. ä. dar (vgl. Flohn 1954). Auch Städte haben mit ihren Häuseransammlungen ab einer gewissen Flächengröße einen Einfluss auf die Höhe und Verteilung der Niederschläge. Die Erhöhung von Niederschlägen innerhalb eines begrenzten Gebietes, z. B. durch Steigungsregen, ist vor allem auf den Einfluss der Bodenreibung, den sogenannten Rauhigkeitsparameter, zurückzuführen. Die unteren Luftschichten werden durch Bodenreibung gebremst, sodass sich die nachfolgenden Luftmassen stauen und aufsteigen. Durch die adiabatische Abkühlung können Wolken und Niederschläge entstehen. Über Stadtgebieten treten zudem oft vermehrt Aerosole auf, welche als Kondensationskerne Einfluss auf die Wolken- und die Niederschlagsbildung haben. Ergänzend kann die durch ein Stadtgebiet bedingte Erwärmung unter speziellen Randbedingungen zu Konvektionsniederschlägen beitragen. Die vorliegenden Auswertungen basieren auf Rasterdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Für die Auswertung zur Referenzperiode 1981-2010 wurden die REGNIE-Daten des DWD genutzt. Dieses Produkt wurde jedoch eingestellt und wird nicht fortgeschrieben. Für die aktuelle Fortschreibung wurden daher die Niederschlagsdaten des HYRAS-DE-PRE Produktes verwendet. HYDRAS-DE-PRE ist das fachlich verbesserte Nachfolgeprodukt des DWD und ersetzt REGNIE vollständig. Aufgrund der geänderten Datenbasis sind die Ergebnisse nur eingeschränkt mit dem langjährigen Mittel der Niederschlagsverteilung 1981-2010 im Umweltatlas Berlin vergleichbar. Niederschläge sind ein essenzieller Bestandteil der Natur und für Tiere, Pflanzen und den Menschen überlebenswichtig. Die Auswirkungen von Niederschlägen müssen aber differenziert betrachtet werden. So bewirken Niederschläge eine Reinigung der Luft, führen aber aufgrund der starken Oberflächenversiegelungen und damit verbundenen Nutzungen gleichzeitig zu einem Ausspülen einer Reihe von Schadstoffen, welche in die Regen- und Mischwasserkanäle und damit mittelbar auch in die Gewässer gelangen. Das Ausbleiben von Niederschlägen beeinträchtigt Tiere und Pflanzen und führt vor allem bei einer in den letzten Jahren beobachteten Häufung der Trockenperioden zu dauerhaften Schäden. Die gleichzeitige Zunahme von Starkniederschlägen stellt in Bezug auf den Wasserhaushalt dabei keinen Ausgleich her. Die Böden können, insbesondere wenn diese trocken sind, die großen Niederschlagsmengen nicht oder nur in geringem Umfang aufnehmen, sodass das Niederschlagswasser zum Großteil oberflächig abfließt und nicht zu einer Regeneration des Bodenwasserspeichers beiträgt. Darüber hinaus kann Starkregen auch Bodenerosion verursachen. Die aus Starkregen resultierenden Sturzfluten bergen zudem eine Gefahr für Menschen, Tiere und Sachwerte. Im regionalen Maßstab werden die Niederschlagsverhältnisse Berlins durch die Lage im Übergangsbereich zwischen kontinental und überwiegend ozeanisch geprägtem Klima bestimmt. Berlin gehört im deutschlandweiten Vergleich zu den trockeneren Gebieten. So liegt in der internationalen Standard-Referenzperiode 1991-2020 die jährliche Durchschnittsniederschlagsmenge für Deutschland bei 782 mm pro Quadratmeter und in Berlin bei 579 mm pro Quadratmeter (vieljähriger Mittelwert der Kalenderjahre, vgl. Abbildung 1). Zusätzlich zu den oben genannten Einflussgrößen muss zukünftig auch verstärkt mit Auswirkungen der globalen Klimaänderungen auf das regionale Wasserdargebot gerechnet werden. Während der vergangenen 10.000 Jahre haben Klimaänderungen die geographische Verteilung der Niederschläge deutlich verändert. Prognosen über mögliche Entwicklungen hängen in großem Maße von den zukünftigen Treibhausgasemissionen ab und werden u. a. vom DWD untersucht (vgl. DWD 2022a ). Bis zum Ende des Jahrhunderts ist hiernach in Deutschland mit einer geringen Zunahme (+6 %) der Jahresniederschlagssummen zu rechnen. Für den Winter und die Übergangsmonate wird ein Anstieg der Niederschlagssummen prognostiziert, im Sommer reicht die Spannbreite je nach Szenario von geringen Zunahmen bis hin zu einer Abnahme des Niederschlags.

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