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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.
Eisbildende Prozesse sind für die Wolkenbildung von großer Bedeutung und haben erhebliche Auswirkungen auf das Wetter und Klima der Erde, indem sie den Strahlungsantrieb und die Niederschlagsbildung beeinflussen. In den mittleren Breiten entsteht der meiste Niederschlag in sogenannten Mischphasenwolken (MPC), welche sowohl aus unterkühlten Wolkentröpfchen als auch aus Eiskristallen bestehen. Bei Temperaturen zwischen 0°C und -38°C erfolgt die Bildung von Eiskristallen in MPC in Gegenwart von Aerosolpartikeln, die als sogenannte Eiskeime (INP) die Fähigkeit besitzen, auf ihrer Oberfläche Eis zu nukleieren. Trotz der großen wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, weist der heterogene Eisbildungsprozess, als einer der wichtigsten in der Atmosphäre auftretenden Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozesse, immer noch große Unsicherheiten auf. Um zukünftige Klimavorhersagen und -projektionen in Modellen besser abbilden zu können, ist es somit notwendig den Wissensgrad der räumlichen und zeitlichen Heterogenität von INP in Bezug auf Herkunft, Anzahl und Zusammensetzung zu erhöhen. Im Zentrum dieser Arbeit steht der Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus Chamber), der für Labor- und Feldexperimente von der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main entwickelt wurde. Durch das Mischen des Probenstroms mit einem warm-feuchten und einem kalten-trockenen Luftstrom wird eine Übersättigung in der in-situ Eiskammer erreicht, die benötigt wird, eisbildende Partikel zu aktivieren. Die aktivierten Partikel können beim Durchströmen der Kammer zu Wassertropfen oder Eiskristallen anwachsen. Am Ausgang der Kammer wird die Anzahl und Größe der Partikel durch die FINCH-Optik erfasst. Als grundlegender Schritt und aufbauend auf den Charakterisierungsmessungen von Frank (2017) wurden in der vorliegenden Arbeit die Leistung, die Zuverlässigkeit sowie die Reproduzierbarkeit von FINCH in Validierungsexperimenten im Labor überprüft. Im Zuge dessen wurden heterogene Gefrierexperimente mit definierten Referenzaerosolproben (bspw. K-Feldspat) bei wasserübersättigten Bedingungen und verschiedenen Gefriertemperaturen durchgeführt. Für den Großteil der erzielten Resultate konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Literaturwerten von anderen INP-Messinstrumenten aus der ganzen Welt erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Leistungsfähigkeit von FINCH messtechnische Limitationen für Messexperimente bei Temperaturen >-10°C und <-30°C aufweist, was eine Einschränkung des Messbereichs bedeutet. Hinsichtlich der Quantifizierung des Unsicherheitsbereiches des Messgerätes in Bezug auf Temperatur und relativer Feuchte bedarf es im Nachgang an dieser Arbeit weiterer Charakterisierungsmessungen. Im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe wurde FINCH mit einem gepumpten Gegenstrom-Impaktor PCVI und dem online Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA gekoppelt. Diese spezielle Messmethodik dient zur chemischen und mikrophysikalischen Charakterisierung der INP und der Eispartikelresiduen (IPR). Der Fokus lag zunächst darauf die Funktionalität des gekoppelten Messsystems im Labor zu überprüfen. Ausführliche Charakterisierungsmessungen zeigten unter eisübersättigten und unterkühlten Bedingungen, dass das Prinzip der Trennung der INP von nicht-aktivierten Aerosolen und unterkühlten Tropfen hinter FINCH durch den PCVI funktioniert. Ebenso konnten erste quantitative Aussagen zur chemischen Zusammensetzung der IPR getroffen werden. Es zeigte sich, dass bei den Aktivierungsexperimenten ein geringer Anteil an Partikeltypen metallischer Art von ALABAMA detektiert wurden, der nicht dem untersuchten Aerosoltyp zugeordnet werden konnte. Der Ursprung dieser Kontamination konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden und bedarf weiterer Validierungsmessungen im Labor. Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden im Rahmen von Feldmesskampagnen an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ) in den Schweizer Alpen und am Campus Riedberg der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main untersucht. Hier konnten erste Erfahrungen mit Außenluftmessungen bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Nachweisgrenze (LOD) des Messgerätes gesammelt werden. Durch den Einfluss der freien Troposphäre am JFJ waren die Messungen hauptsächlich von aerosolpartikelarmer Luft mit einer geringen Anzahl von Eiskeimen geprägt, so dass sich die gemessenen INP-Konzentrationen oftmals unter die Nachweisgrenze von FINCH fielen. Unter Einsatz eines Aerosolkonzentrators konnte die Detektionseffizienz verbessert und das LOD herabgesetzt werden. Am JFJ wurden die INP im Mittel bei einer Temperatur von -23°C und einem Wassersättigungsverhältnis von 107% beprobt. Die mediane (mittlere) INP-Konzentration inklusive LOD lag bei 2,1 (3,3) sL-1 und oberhalb des LOD bei 3,1 (4,5) sL-1. Ein Vergleich mit den Messungen am Campus Riedberg unter annähernd gleichen Bedingungen resultiert in ähnlichen Konzentrationen.
Das Wissen über die Wolkenmikrophysik und die Wechselwirkung zwischen Niederschlag und Aerosol ist ein wichtiger Baustein zur Optimierung von Klima- und Wettermodellen. Ein Großteil des Niederschlags in den mittleren Breiten fällt aus Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Tröpfchen und Eispartikeln bestehen. Die Eispartikel bilden sich an speziellen Aerosolpartikeln, die als Eiskeime (INP) wirken können. Die Wahrscheinlichkeit eines Aerosols als Eiskeim zu wirken, nimmt mit abnehmender Temperatur und steigender Wassersättigung zu. Mineralstaubpartikel sind die häufigsten Eiskeime, die ab Temperaturen ≤−15°C aktiv sind, biologische Partikel wirken schon bei wärmeren Bedingungen. Große Wissenslücken bestehen noch bei der globalen Konzentration von Eiskeimen, inklusive deren geographischer und jahreszeitlicher Variabilität.
Im Zentrum der Experimente, die für diese Arbeit durchgeführt wurden, steht der Eiskeimzähler FRIDGE (Frankfurt Ice Deposition Freezing Experiment). Je nach Aufbau und Anwendung des Instruments werden zwei verschiedene Ansätze zur Aktivierung von Eiskeimen verfolgt. Die ursprüngliche und namensgebende Methode in Form einer Vakuum-Diffusionskammer wurde zur Untersuchung von Eisnukleation via Depositionsgefrieren (an INP_D) entwickelt (Klein et al., 2010). Danielczok (2015) nutzte einige Bestandteile des Analysegeräts, um auch Immersionsgefrieren (an INP_I) in Form von Tröpfchengefrieren à la Vali (1971) zu studieren. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anwendungsmöglichkeit von FRIDGE weiterentwickelt. Ein zentraler Schritt war dabei die präzise Charakterisierung des Gefrierverhaltens von Tröpfchen aus Reinstwasser ohne zusätzliches Aerosol. Die Einbeziehung dieses sogenannten Hintergrundgefrierens, das für jedes Instrument und Messverfahren spezifisch ist, ermöglichte es, die Minimaltemperatur, für die zuverlässige Ergebnisse produziert werden können, von −22°C auf −29°C herabzusetzen. Der dadurch hinzugewonnene Temperaturbereich ist für Eisnukleation in Mischphasenwolken äußerst relevant.
Beide Anwendungsmethoden wurden im Rahmen des Fifth International Workshop on Ice Nucleation – Phase 2 (FIN-02) sowie bei einer weiteren Kampagne zur Messung von Eisnukleation an Cellulosepartikeln mit über zwanzig anderen Eiskeimzählern verglichen. Mit FRIDGE als Diffusionskammer wurde für die Mehrheit der untersuchten Aerosoltypen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten beobachtet. Die Experimente mit gefrierenden Tröpfchen in FRIDGE erzielten ausnahmslos Ergebnisse, die inmitten der Werte der anderen Instrumente lagen. Die erfolgreiche Validierung – besonders der neuen Anwendungsmethode – war das erste Ziel dieser Arbeit und die notwendige Voraussetzung für die anschließenden Feldmessungen.
Atmosphärische Eiskeimkonzentrationen wurden in mehrwöchigen Feldmesskampagnen an drei sehr unterschiedlichen Orten und atmosphärischen Bedingungen untersucht: an der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch (JFJ), am Storm Peak Laboratory (SPL) in den Rocky Mountains und am Cyprus Atmospheric Observatory (CAO) in Zypern. Am JFJ wurde eine INP-Konzentration beobachtet, die um den Faktor 20 niedriger als an den anderen beiden Stationen war. Der Grund dafür war, dass sich das Jungfraujoch die meiste Zeit der Messungen in der freien Troposphäre befand. Dementsprechend waren die Bedingungen an der Station von aerosolpartikelarmer Luft mit wenigen Eiskeimen geprägt. An zwei Standorten wurde Mineralstaub als ein Parameter, der die lokale INP-Konzentration positiv beeinflusst, identifiziert. Sowohl am JFJ als auch am CAO erhöhte ferntransportierter Saharastaub die INP-Konzentration.
Die Kombination der zwei Analysemethoden, die Aerosolproben aus derselben Luft entweder in trockenem Ausgangszustand oder in Tröpfchen suspendiert untersuchen, offenbarte eine interessante Eigenschaft der INP. Es herrschte eine offensichtliche Parallelität von INP_D- und INP_I- Konzentrationen. Bei fast allen Messungen waren INP_I etwa 10-mal häufiger als INP_D. Die Aussage trifft gleichermaßen auf sehr niedrige Konzentrationen am JFJ wie auch auf hohe Konzentrationen am SPL und CAO zu. Die einzige Ausnahme bilden Cellulosepartikel. Daraus lässt sich schließen, dass INP_D und INP_I dieselben Partikel sind, die je nach Aktivierungskonditionen Eisnukleation unterschiedlich effektiv hervorrufen.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.