Das Projekt "Laboratory and Field Studies of Ice Nucleation: Natural and Anthropogenic Effects" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Atmosphäre und Klima durchgeführt. Neben CO2, dessen Einfluss auf das Klima inzwischen erwiesen ist, gibt es noch eine Reihe anderer Einflussgrössen auf das Klima z.B. Methan aber auch Staubpartikel (Aerosole) und deren Einfluss auf die Bildung von Wolken. Der letztgenannte zählt zu den am wenigsten verstandenen und quantifizierbaren Effekten auf das Klima und wird unter dem Oberbegriff Aerosol-Wolken-Wechselwirkung zusammengefasst. Wolken bestehen aus flüssigen Tröpfchen, die je nach Umweltbedingungen auch deutlich unter 0 C als sogenannte unterkühlte Tröpfchen existieren können, und/oder Eiskristallen. Besonders die Bildung von Eiskristallen ist ein wichtiger Prozess in Wolken, weil die Niederschlagsbildung häufig über die Eisphase initiiert wird. Zudem reflektieren Eiskristalle Licht anders als flüssige Tröpfchen. Die Bildung von Eiskristallen setzt entweder sehr tiefe Temperaturen voraus (kälter als -38 C) oder die Anwesenheit von sogenannten Eiskeimen, die die Bildung von Eis oder das Gefrieren von Tröpfchen katalysieren. Dieses Projekt befasst sich mit dem Einfluss dieser Eiskeime auf Wolken und deren Veränderung durch menschliche Aktivitäten. Es ist bekannt, dass z.B. Wüstenstaub sehr gut als Eiskeim wirkt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die dafür verantwortlich sind, sind jedoch wesentlich weniger gut bekannt und noch weniger weiss man darüber, wie diese Eigenschaften durch menschliche Emissionen, z.B. von Abgasen, beeinflusst werden können. Um diese Einflüsse zu untersuchen, werden im Labor Staubpartikel als Aerosol (d.h. luftgetragen) in einem Edelstahltank gespeichert und mit verschiedenen Spurengasen versetzt, die in der Atmosphäre als Folge menschlicher Aktivitäten anzutreffen sind (z.B. Schwefeldioxid, Stickoxide, Ozon). Während dieser künstlichen 'Alterung' der Aerosole werden kontinuierlich deren Eigenschaften mit verschiedenen Methoden untersucht. Eine zentrale Rolle spielen dabei Instrumente, die in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurden, und mit denen man die Bildung von Eis auf Aerosolen untersuchen kann. Da es verschiedene Mechanismen gibt, die die Eisbildung initiieren können (z.B. Eisbildung direkt auf den Partikeln oder das Gefrieren von bereits existierenden unterkühlten Tröpfchen) sind verschiedene Instrumente notwendig, in denen diese Prozesse simuliert werden. Aus diesen Messungen sollen schlussendlich Parametrisierungen über die Initiierung der Eisphase für die verschiedenen Eiskeime und die verschiedenen Gefriermechanismen abgeleitet werden. Diese Parametrisierungen können dann in Klimamodellen verwendet werden um den Einfluss von anthropogenen Aerosolen auf Eiswolken zuverlässiger abzuschätzen zu können.
Das Projekt "Modelling Heterogeneous and Homogeneous Ice Nucleation and Growth at Cirrus Cloud Levels" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Atmosphäre und Klima durchgeführt. Many aspects of the global radiation budget are now well understood. The largest remaining uncertainty is how atmospheric aerosols modify the characteristics of clouds and how that affects the global radiation budget. This project will advance the current understanding of this indirect effect for the particularly climate-relevant cirrus clouds. Cirrus clouds are high altitude clouds, formed when atmospheric water freezes into ice crystals. They reflect infrared radiation as well as sunlight and can therefore warm or cool the surface of the Earth. Atmospheric aerosols are fine solid particles or liquid droplets in the atmosphere, examples being smoke, oceanic haze or simply liquid water. Some components of aerosols affect the temperature at which water droplets freeze and are thus capable of changing the radiative properties of cirrus clouds by influencing the number and size of the clouds' ice particles. Aerosol components which reduce the freezing temperature of water impede homogeneous nucleation, that is, the process of freezing of a droplet which is not in contact with a solid particle. Other types of aerosol, such as mineral dust, raise the freezing temperature of water by providing solid surface on which ice formation can begin (heterogeneous nucleation). Cirrus clouds are an important factor for the Earth's climate. Therefore, it is crucial that their representation in climate models can account for effects induced by anthropogenic changes in the number, size and composition of aerosols in the atmosphere. The aim of this project is to develop a representation of the formation and growth of ice particles for use in climate models. Firstly, we will develop mathematical descriptions of ice nucleation and growth rates, which account for the most important aerosol types, such as mineral dust or ammonium sulfate. An existing model will allow us to determine the effect of each of the examined substances on the properties of a cirrus cloud. The chemical and aerosol input for these experiments will be taken from a state of the art aerosol - chemistry transport model, the OsloCTM2. After developing a simplified cirrus cloud model, which will be incorporated into a global model in the last stage of the project, we can determine how and to what extent the aerosol composition influences the distribution and the radiative properties of cirrus clouds on a global scale. This project will develop the first physico-chemically based representation of cirrus cloud formation for chemistry climate models (CCMs), allowing the calculation of climate effects of changes in cirrus coverage due to anthropogenic modification of atmospheric aerosols.