Die Bildung der Eis Phase in der Troposphäre stellt einen wichtigen Fokus der aktuellen Atmosphärenforschung dar. Durch heterogene Nukleation entstehen bei Temperaturen oberhalb von -37°C primäre Eiskristalle an sogenannten eiskeimbildenden Partikeln (INP, engl, ice nucleating particles). Die räumliche Verteilung der INP und deren Quellen variieren stark. In der Atmosphäre finden sich INP nur in sehr geringer Anzahlkonzentration, oft weniger als ein Partikel pro Liter, und sie stellen nur eine kleine Untergruppe des gesamten atmosphärischen Aerosols dar. Ziel dieses Antrages ist es die Anzahlkonzentrationen von eiskeimbildenden Partikeln und deren Variabilität in der Atmosphäre zu messen. Außerdem sind Laborstudien geplant, in denen unser Verständnis über die chemischen und biologischen Eigenschaften der Partikel, die die Eisbildung initiieren, verbessert werden soll. Mit dem von unserer Arbeitsgruppe entwickelten Eiskeimzahler FINCH (Fast Ice Nucleaus CHamber) sollen die atmosphärischen Anzahlkonzentrationen von INP bei verschiedenen Gefriertemperaturen und Übersättigungen an mehreren Standorten gemessen werden. Die Kopplung von FINCH mit einem virtuellen Gegenstromimpaktor (CVI, engl, counter-flow virtual impactor, Kooperation mit RP2), die während lNUIT-1 entwickelt und getestet wurde, soll nun weiter charakterisiert und Messungen damit fortgesetzt werden. Bei dieser Methode werden die Eispartikel, die in FINCH gebildet werden, von den unterkühlten Tröpfchen und inaktivierten Partikeln separiert und mit weiteren Messmethoden untersucht. In Kooperation mit RP2 und RP8 planen wir hierbei die Charakterisierung der INP mittels Größen- und Aerosolmassenspektrometer sowie die Sammlung der INP auf Filtern oder Impaktorplatten zur anschließenden Analyse mit einem Elektronenmikroskop (ESEM, engl. DFG fomi 54.011 -04/14 page 3 of 6 Environmental Scanning Electron Microscopy). Die Feldmessdaten werden von umfangreichen Laborstudien an den Forschungseinrichtungen AIDA (RP6) und LACIS (RP7) ergänzt. Dort soll das Immersionsgefrieren von verschiedenen Testpartikeln aus biologischem Material (z.B. Zellulose), porösem Material (z.B. Zeolith) und Mineralstaub mit geringem organischem Anteil im Detail untersucht werden. Des Weiteren planen wir Labormessungen, bei denen eine verbesserte Charakterisierung der Messunsicherheiten von FINCH erarbeitet werden soll. Außerdem werden regelmäßige Tests und Kalibrierungen mit FINCH durchgeführt, für die Standardroutinen festgelegt werden sollen. Um die Rolle der INP bei der Wolken- und Niederschlagsbildung sowie bei den Wolkeneigenschaften abzuschätzen, werden die gewonnenen Messergebnisse am Ende als Eingabeparameter für erweiterte Wolkenmodelle (Kooperation mit WP-M) dienen.
Im Rahmen des Projekts soll die Neubildung von Aerosolpartikeln in der tropischen oberen Troposphäre über dem Indopazifik untersucht werden. Die chemischen Substanzen, die für die Aerosolnukleation und das Wachstum von Partikeln in der tropischen oberen Troposphäre verantwortlich sind, konnten bisher nicht identifiziert werden. Ein zentrales Ziel der Mission CAFE-Pacific mit dem Forschungsflugzeug HALO wird es sein, die Nukleationsprozesse in der oberen Troposphäre zu untersuchen und insbesondere die für die Nukleation verantwortlichen Substanzen erstmals zu identifizieren und zu quantifizieren. Mit Hilfe des in diesem Projekt eingesetzten Chemischen Ionisations-Massenspektrometers können schwerflüchtige Substanzen wie Schwefelsäure, Methansulfonsäure und hochoxidierte organische Verbindungen gemessen werden. Es werden die photochemischen Oxidationsprozesse, die im Ausfluss von hochreichender Konvektion ablaufen, untersucht, beispielsweise die Umwandlung von Dimethylsulfit zu Schwefeldioxid, Schwefelsäure und Methansulfonsäure. Die Aufklärung der Oxidations- und Nukleationsprozesse ermöglicht es, die Rolle der Aerosolnukleation in der tropischen oberen Troposphäre als zentrale Quellregion sowohl für die Entstehung von Wolkenkondensationskernen in den Tropen als auch für die Entstehung der stratosphärischen Aerosolschicht zu beurteilen.
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.
Die Nukleation von Eispartikeln spielt eine wichtige Rolle bei der Wolken- und Niederschlagsbildung, mit Konsequenten für die atmosphärische Chemie, die Wolkenphysik und das Erdklima. Für eine Quantifizierung und Vorhersage des Einflusses von Wolken in Wettervorhersage- und Klimamodellen muss die Bildung von Eispartikeln daher in einer realistischen Art und Weise beschrieben werden. Einer der wichtigen Bildungsmechanismen ist dabei die heterogene Eisnukleation im Immersionsmodus, bei dem Eis an der Oberfläche eines in einem wässrigen Tröpfchen suspendierten Eiskeims - zum Beispiel eines Mineralstaub- Partikels - gebildet wird. Wir werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts zahlreiche Gefrierexperimente im Immersionsmodus durchführen. So werden eine Reihe verschiedener, als Aerosolpartikel in der Atmosphäre vorkommende Materialien auf ihre Eisnukleationseigenschaften hin untersucht werden. Insbesondere sollen hier die Temperatur- und Zeitabhängigkeit der von diesen Materialien ausgelösten Eisnukleation quantifiziert werden. Dabei werden wir spezielles Augenmerk auf die systematische Untersuchung der von porösen Materialien ausgelösten Eisnukleation legen. Es sollen sowohl synthetische Materialien wie beispielsweise mesoporöse Silikate untersucht werden, als auch natürlich vorkommende Materialien wie etwa mikroporöse Zeolithe.
Vorkommen, Häufigkeit, chemische Zusammensetzung und Mischungszustand jener Aerosolpartikel in der Erdatmosphäre, an denen sich durch heterogene Nukleation in unterkühlten Wolken Eis bilden kann (Ice Nucleating Particles = INP), werden experimentell untersucht. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Niederschlagsbildung, und finden in parametrisierter Form Eingang in meteorologische Modelle zur Vorhersage des Niederschlages. Das Projekt verwendet hierbei im Wesentlichen physikalische Methoden zur Identifikation und Isolation der Partikel aus der Atmosphäre, und nachfolgend elektronenmikroskopische Methoden zur mineralogischen Analyse einzelner Partikel. Die Identifikation jener wenigen Aerosolpartikel (ca. 1 von 10.000 bis 1 von 100.000), die Eisbildungsfähigkeit besitzen, erfolgt, indem eine Aerosolprobe einer Unterkühlung unter 0°C und Wasserdampfübersättigung ausgesetzt wird, und die an INP entstehenden Eiskristalle fotografiert und gezählt werden. Es werden sowohl Aerosolpartikel aus luftgetragenem Aerosol untersucht (aus dem Eiskeimzähler FINCH) wie auch Partikel, die aus einer Luftprobe auf einem Silizium-Probenträger niedergeschlagen und danach als INP identifiziert wurden (Eiskeimzähler FRIDGE). Eine dritte und vierte Methode (Ice-CVI und ISI) isolieren eisbildungsfähige Partikel, indem aus einer angesaugten Probe von Wolkenluft die Eiskristalle strömungstechnisch von den übrigen Luftbestandteilen getrennt werden. Alle Eiskeimproben werden im Rasterelektronenmikroskop auf Größe, Morphologie, Mischungszustand und chemische Zusammensetzung untersucht und die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze verglichen. In Feldexperimenten werden Atmosphärenproben verschiedener geographischer Provenienz (Mitteleuropa, Forschungsstation Jungfraujoch, Wüstenstaub, Vulkanstaub) erhalten. In Laborexperimenten wird mit vorher gesammelt und charakterisierten Modellsubstanzen gearbeitet. Weiterhin wird durch tägliche Messungen der Anzahl-Konzentration und Zusammensetzung von Eiskeimen am Taunus Observatorium nahe Frankfurt über einen längeren Zeitraum untersucht, ob es Saisonalitäten, bevorzugte Quellgebiete (z.B. Wüsten, Industrie, etc.) und biologische Einflussfaktoren (z.B. Pollen, Pflanzenabrieb, Bakterien) für das Vorkommen von Eisnuklei gibt.
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.
Die Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Schicht mit erhöhtem Aerosolgehalt, tritt jedes Jahr von Juni bis September in 14-18 km Höhe in einem Gebiet auf, das sich vom Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik erstreckt. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Partikel, sowie ihrer Bedeutung für die Strahlungsbilanz in dieser klimasensitiven Höhenregion bestehen große Unsicherheiten. Die bisher einzigen Flugzeugmessungen aus dem Zentrum der ATAL wurden 2017 im Rahmen der StratoClim Kampagne von Kathmandu aus gewonnen. Dabei entdeckten wir mit Hilfe des Infrarotspektrometers GLORIA auf dem Forschungsflugzeug Geophysica, dass feste Ammoniumnitrat (AN) â€Ì Partikel einen beträchtlichen Teil der Aerosolmasse ausmachen. Diese zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Zudem zeigte die gleichzeitige Messung von Ammoniakgas (NH3) durch GLORIA, dass dieses Vorläufergas durch starke Konvektion in die obere Troposphäre verfrachtet wird. Im Rahmen der PHILEAS-Kampagne schlagen wir eine gemeinsamen Betrachtung von atmosphärischen Modellsimulationen und Messungen vor, um die Zusammensetzung, Ursprung, Auswirkungen und Verbleib der ATAL-Partikel zu untersuchen â€Ì insbesondere im Hinblick auf ihre Prozessierung sowie ihren Einfluss auf die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre der nördlichen Hemisphäre. Messungen von monsunbeeinflussten Luftmassen über dem östlichen Mittelmeer sowie über dem nördlichen Pazifik werden es uns erlauben, Luft mit gealtertem Aerosol- und Spurengasgehalt zu analysieren und damit die StratoClim-Beobachtungen aus dem Inneren des Monsuns zu komplementieren. Um dabei die wahrscheinlich geringeren Konzentrationen an Aerosol und Spurengasen zu quantifizieren, schlagen wir vor, die GLORIA-Datenerfassung von NH3 und AN u.a. durch die Verwendung neuartiger spektroskopischer Daten zu verbessern. Ferner werden wir die Analyse der GLORIA-Spektren auf Sulfataerosole sowie deren Vorläufergas SO2 auszudehnen. Auf der Modellseite werden wir das globale Wetter- und Klimamodellsystem ICON-ART weiterentwickeln, um die ATAL unter Einbeziehung verschiedener Aerosoltypen (Nitrat, Ammonium, Sulfat, organische Partikel, Staub) zu simulieren â€Ì unter Berücksichtigung der hohen Eiskeimfähigkeit von festem AN. Modellläufe werden durchgeführt, um einerseits einen globalen Überblick über die Entwicklung der ATAL 2023 zu gewinnen und zudem detaillierte, auf die relevanten Kampagnenperioden zugeschnittene, wolkenauflösende Informationen über die Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen zu erhalten. Über die direkte Analyse der PHILEAS-Kampagne hinausgehend wird diese Arbeit die Grundlage für eine verbesserte Analyse von Aerosolparametern aus GLORIA-Beobachtungen früherer und zukünftiger HALO-Kampagnen sowie aus Satellitenbeobachtungen legen. Darüber hinaus wird sie ICON-ART, einem der zentralen Klimamodellsysteme in Deutschland die Simulation von Aerosolprozessen sowie Aerosol/Wolken-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der ATAL ermöglichen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 63 |
| Europa | 2 |
| Wissenschaft | 38 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 63 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 63 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 50 |
| Englisch | 33 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 54 |
| Webseite | 9 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 38 |
| Lebewesen und Lebensräume | 54 |
| Luft | 40 |
| Mensch und Umwelt | 63 |
| Wasser | 38 |
| Weitere | 63 |