Reevaluierung und Erweiterung des Messverfahrens FRIDGE zur Bestimmung von Depositions-, Kondensations- und Immersionsgefrierkernen

Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrati
Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrationen, Quellen und Zusammensetzung der Eisnuklei (ice nuclei, IN) sollte als Basis für Parametrisierungen dienen. Das Verständnis von Eiskeimen und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nur zum Teil bekannt und bedürfen daher noch weitgehender Forschung. Auch die Änderung der Eiskeimkonzentration mit der Zeit kann von Bedeutung sein, diese sollte durch die Fortführung einer Langzeitmessreihe untersucht werden. Durch Hinzuziehen von lokalen Parametern und Trajektorien sollten Proxies für die IN Konzentration ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit taten sich jedoch Probleme am Messverfahren auf, weshalb die ursprünglichen Ziele in den Hintergrund gerieten und die Verbesserung und Neuaufnahme des Messverfahrens in den Vordergrund trat. Anhand von zielgerichteten Experimenten wurde ein Messfehler ermittelt, der durch die vorherige Fehlinterpretation von deliqueszierenden Partikeln und von Tröpfchen als vermeintliche Eiskristalle entstand. Dieser Fehler wurde charakterisiert und durch optische Analysen dessen Ursprung ermittelt. Datensätze, die durch diese hygroskopischen Partikel fehlerbehaftet waren, wurden korrigiert und reanalysiert. Ein in früheren Arbeiten am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg ermittelter Jahresgang in der Eiskeimkonzentration mit einem Maximum im Sommer und einem Minimum im Winter konnte bestätigt werden, die Absolutzahlen sind jedoch deutlich geringer als bisher angenommen. Lokale Parameter sowie Trajektorien wurden zur weiteren Analyse hinzugezogen.
Die Reevaluierung der Datensätze vom Taunus Observatorium führte zu keinem abschließenden Ergebnis. Ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen Eiskeimkonzentration und Parametern, welche das Staubvorkommen in der Atmosphäre quantifizieren (PM10 und Aerosol Optische Dicke), konnte nicht festgestellt werden. Da die Messungen bei relativ warmen Bedingungen (≥-18°C) durchgeführt wurden, Staub aber erst bei kälteren Temperaturen als effektiver Eiskeim gilt, ist dieses Ergebnis jedoch zu erwarten gewesen.
Auch die Luftmassenherkunft scheint keinen eindeutigen Einfluss zu haben. Betrachtungen der Bodenfeuchte lieferten signifikante Korrelationen, welche jedoch monatsabhängig positiv oder negativ ausfallen können. Im Frühling ist eine hohe Bodenfeuchte mit einer erhöhten Konzentration von IN in Verbindung zu bringen, im Sommer liegt bei niedriger Bodenfeuchte eine tendenziell höhere Eiskeimkonzentration vor. Die Windrichtung hat für die Eiskeimkonzentration einen Einfluss, wenn der Wind aus Südost zum Taunus Observatorium strömt. Anthropogenes Aerosol aus Frankfurt am Main hemmt hier vermutlich die Eisbildung, was zu einer signifikant niedrigeren mittleren Konzentration aus dieser Richtung führt.
Da das Messverfahren noch nicht in seinem vollen Potential genutzt wurde, wurde es um eine Analysemethode erweitert. Mittels Tröpfchengefrierexperimenten konnte ein weiterer Gefriermodus betrachtet werden. Nun deckt das hier genutzte Messverfahren drei der vier bekannten Gefriermoden ab. Anhand von Testsubstanzen wurde die Zuverlässigkeit der neu eingeführten Methode überprüft und nachgewiesen.
Erste Parallelproben der korrigierten Depositions- und Kondensationsgefriermessmethode und der neu eingeführten Immersionsgefriermessung wurden am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg genommen. Dabei wurde auch ein Staubereignis beprobt und detailliert ausgewertet. Zwischen lokalen Parametern und Eiskeimkonzentration fanden sich Zusammenhänge. Bei Messbedingungen <-20°C konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen PM10 und Eiskeimkonzentration im Immersions- und Kondensationsmodus gefunden werden. Der Depositionsgefriermodus blieb unauffällig. Zwischen Bodenfeuchte und IN-Konzentration konnten ebenfalls wie bei der Reevaluierung der alten Messdaten Signifikanzen festgestellt werden.
Die neu eingeführte Immersionsmessmethode und die korrigierte Methode zur Bestimmung von Depositions- und Kondensationsgefrierkernen liefern Messdaten, welche im Bereich anderer Eiskeimzähler liegen. Vergleiche mit Parametrisierungen zeigen, dass die Messwerte dem aktuellen Stand der Forschung entsprechen und davon ausgegangen werden kann, dass sie vertrauenswürdig und belastbar sind.
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The objectives of this dissertation, which was developed within framework of the Ice Nuclei Research Unit (INUIT), was to examine the seasonal and geographical variation of near surface ice nucleating particles (INP). Th
The objectives of this dissertation, which was developed within framework of the Ice Nuclei Research Unit (INUIT), was to examine the seasonal and geographical variation of near surface ice nucleating particles (INP). The concentrations, sources and composition of ice nuclei were intended to serve as the basis for parameterizations. The understanding of ice nuclei and their influence on weather and climate still requires extensive research. As change in ice nucleus concentration over time may be important, it was to be investigated by the continuation of a long-term measurement series. By involving local parameters and trajectories, proxies for the IN concentration were to be determined.
In this work, however, problems with the measurement procedures were found. Therefore the initial objectives were of minor concern and instead, the improvement and adjusted resumption of the measuring method became top priority. By conducting of purposeful experiments, a measurement error was found which was associated with the misinterpretation of hygroscopic particles and their growth and droplet formation. This error has been characterized and determined by optical analyses. Older data sets that were incorrect because of these hygroscopic particles, have been corrected and reanalyzed. A seasonal cycle of IN concentrations at the Taunus Observatory/Kleiner Feldberg with a maximum in summer and a minimum in winter, which was investigated in previous works, was nevertheless qualitatively confirmed. Local parameters and trajectories were included for further analysis.
The re-evaluation of the data sets from the Taunus Observatory returned no conclusive findings. A general connection between ice nuclei concentrations and parameters quantifying the amount of dust in the atmosphere (PM10 and aerosol optical thickness) could not be found. Since the measurements were carried out at relatively warm conditions (≥-18°C), but dust is considered to be a more effective ice nucleus only at colder temperatures, this result was to be expected. The air mass origin seems to have no clear influence. Observations of soil moisture showed significant correlations, which can be positive or negative depending on the particular month. In spring, a high soil moisture is followed by an increased concentration of IN and in summer, low soil moisture can be found during a tendentious higher IN concentration. The wind direction has an influence as it reaches the Taunus Observatory from a southeastly direction. Anthropogenic aerosol from Frankfurt am Main probably inhibits the ice formation, resulting in a significantly lower mean ice nucleus concentration from this direction.
Since the measurement method has not yet been used to its full potential, it was extended by another analytical method. Using droplet freezing experiments allows for another mode (immersion) to be implemented. As a result,the measuring technique used here now covers three of the four known freezing modes. The reliability of the newly introduced method was verified on the basis of test substances.
Parallel samples of the corrected deposition and condensation freezing measurement method and the newly introduced immersion freezing method were taken at the Taunus Observatory / Kleiner Feldberg. A dust event was also samples here and analyzed in detail.
Correlations were found between local parameters and the IN concentration. For conditions below -20°C, a significant correlation between PM10 and ice nuclei concentrations was detected both in the immersion and in the condensation mode. The deposition freezing mode remained inconspicuous. As in the re-evaluated old data set, significance between soil moisture and IN concentration were observed.
The newly introduced immersion measurement method and the corrected method for the determination of deposition and condensation freezing IN provides measurement data that is in the range of other IN counters. Comparisons with parameterizations show that the measured values correspond to the current state of research. It can be assumed that they are reliable.
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Metadaten
Author:Anja Danielczok
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-395304
Referee:Joachim Curtius, Martin Ebert
Advisor:Joachim Curtius
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/02/19
Year of first Publication:2015
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2016/02/12
Release Date:2016/02/19
Tag:Eiskeime
Pagenumber:137
HeBIS PPN:37053719X
Institutes:Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht

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