Influence of deep convection on particle formation and aerosol budget in the free troposphere from airborne observations with HALO (PARTFORM-HALO)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurden der Aufbau und die Charakterisierung eines neuen, vom DLR entwickelten und betriebenen Aerosolmesssystems für das Forschungsflugzeug HALO erfolgreich durchgeführt. Das in der Kabine von HALO einzurüstende Messsystem unter dem Namen „AMETYST“ (für Aerosol Measurement System) beinhaltet eine Kombination von vier Kondensationspartikelzählern (CPCs), zwei kompakten optischen Partikelzählern (OPCs), optional vorschaltbar eine Thermodenuder-Sektion und zwei Differential Mobility Analyser (DMAs) sowie ein Absorptionsphotometer (PSAP). AMETYST wird mit Probenluft vom außerhalb dieses Projekts am DLR für HALO entwickelten Submikrometer-Aerosol-Einlass „HASI“ versorgt; AMETYST beinhaltet jedoch die Regelung für die Steuerung der Durchflüsse der vier Probenluftzweige dieses Einlasses. Das Messsystem ist im Rahmen dieses Projekts in den zwei HALO-Missionen ML-CIRRUS und ACRIDICON erfolgreich eingesetzt worden und später noch bei zwei weiteren HALO-Missionen. Qualitätsgeprüfte Datensätze für Ergebnisse der CPC- und OPC-Messungen (Aerosolanzahlkonzentrationen und Größenverteilungen) wurden für alle durchgeführten Messflüge erstellt und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Die Daten sind in der HALO-Datenbank archiviert und stehen dort auch für eine weitere wissenschaftliche Nutzung zur Verfügung. Die Arbeiten zur Charakteristik des Messsystems haben gezeigt, dass AMETYST gut geeignet ist, um mit HALO die Aerosolgrößenverteilung im Bereich der Aitkenmode (20-100 nm), der Akkumulationsmode (0.1-1 µm) und im Bereich der Grobpartikelmode von 1 bis etwa 3 µm im gesamten für HALO relevanten Höhenbereich vom Boden bis maximal 15 km Höhe gut zu erfassen. Im Bereich ultrafeiner Partikel (kleiner 20 nm) ist die Transmissionseffizienz des Gesamtsystems insbesondere bei großen Flughöhen (niedrigen Drücken) jedoch deutlich abfallend. Das entwickelte Messsystem wurde mit Zielrichtung auf eines der Schlüsselthemen der aktuellen Atmosphären- und Klimaforschung, nämlich der Wechselwirkung von Aerosolpartikeln mit Wolken, in Regionen hochreichender Konvektion bei der HALO-Mission ACRIDICON (Aerosol, Cloud, Precipitation, and Radiation Interactions and Dynamics of Convective Cloud Systems) über dem Amazonas-Gebiet in Brasilien in 2014 eingesetzt, um die vertikale Verteilung von Aerosoleigenschaften im Umfeld von Gewittersystemen zu untersuchen. Vergleichende Untersuchungen wurden in diesem Projekt anhand ähnlicher Datensätze von früheren Messkampagnen mit dem Forschungsflugzeug Falcon des DLR durchgeführt, u.a. von der Messkampagne DC3 (Deep Convective Clouds and Chemistry Project) in 2012 über Nordamerika. Erhöhungen der integralen Anzahlkonzentration von Feinstpartikeln größer als 10 nm in der oberen Troposphäre wurden grundsätzlich bei fast allen Messflügen von ACRIDICON festgestellt, insbesondere in den Outflow-Schichten oberhalb von rund 8 km Höhe, wenn die Outflow-Luftmasse nach Prozessierung in der Gewitterzelle um zumindest einige Stunden gealtert war. Im unmittelbaren Nahbereich der Outflowregion konvektiver Zellen fanden sich hingegen häufig sehr geringe Aerosolkonzentrationen in allen Größenfraktionen. Es konnte aufgrund der Unterschiede zu den Eigenschaften des Aerosols in der bodennahen Grenzschicht ausgeschlossen werden, dass ein direkter konvektiver Aufwärtstransport von Aerosolpartikeln zum Beispiel aus bodennahen Verbrennungsquellen erfolgt. Daraus wird geschlossen, dass die Produktion neuer Partikel in der oberen Troposphäre über dem Amazonasgebiet als Folge des konvektiven Transports von biogenen volatilen Vorläufergasen erfolgt. Dort gebildete Partikel können auch wieder in untere Troposphärenschichten und insbesondere die Grenzschicht in der Amazonas-Region eingemischt werden. Weiterhin sind in diesem Projekt erhaltene Ergebnisse zur Charakterisierung der Aerosoleigenschaften in den Inflow-Luftmassen konvektiver Zellen bei ACRIDICON dafür eingesetzt worden, den Zusammenhang von mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften mit diesen Aerosoleigenschaften näher zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), 18 (2), Seiten 921- 961
Andreae, Meinrat O., ..., Fütterer, Daniel Alexander, ..., Minikin, Andreas, ...
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(2016). ACRIDICON–CHUVA Campaign: Studying Tropical Deep Convective Clouds and Precipitation over Amazonia Using the New German Research Aircraft HALO. Bulletin of the American Meteorological Society, 97 (10), Seiten 1885-1908
Wendisch, Manfred, ..., Fütterer, Daniel , ..., Minikin, Andreas, ...
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(2016). Implementation of state-of-theart ternary new-particle formation scheme to the regional chemical transport model PMCAMx-UF in Europe. Geoscientific Model Development, 9, Seiten 2741-2754. Copernicus Publications
Baranizadeh, Elham und Murphy, Benjamin N. und Julin, Jan und Falahat, Saheed und Reddington, Carly L. und Arola, Antti und Ahlm, Lars und Mikkonen, Santtu und Fountoukis, Christos und Patoulias, David und Minikin, Andreas und Hamburger, Thomas und Laaksonen, Ari und Pandis, Spyros N. und Vehkamäki, Hanna und Lehtinen, Kari E. J. und Riipinen, Ilona
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(2016). Injection of lightning-produced NOx, water vapour, wildfire emissions, and stratospheric air to the UT/LS as observed from DC3 measurements. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121 (11), Seiten 6638-6668
Huntrieser, Heidi und Lichtenstern, Michael und Scheibe, Monika und Aufmhoff, Heinfried und Schlager, Hans und Pucik, T. und Minikin, Andreas und Weinzierl, Bernadett und Heimerl, Katharina und Pollack, I.B. und Peischl, J. und Ryerson, T. und Weinheimer, A.J. und Honomichl, S. und Ridley, B.A. und Hair, J. W. und Butler, C. und Schwartz, M.J. und Barth, M.
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(2016). On the origin of pronounced O3 gradients in the thunderstorm outflow region during DC3. Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 121 (11), Seiten 6600-6637
Huntrieser, Heidi und Lichtenstern, Michael und Scheibe, Monika und Aufmhoff, Heinfried und Schlager, Hans und Pucik, Tomas und Minikin, Andreas und Heimerl, Katharina und Weinzierl, Bernadett und Fütterer, Daniel und Rappenglück, B. und Ackermann, L. und Pickering, K. und Cummings, K.A. und Biggerstaff, M. und Betten, D. und Honomichl, S. und Barth, M.
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(2017). ML-CIRRUS: The Airborne Experiment on Natural Cirrus and Contrail Cirrus with the High-Altitude Long-Range Research Aircraft HALO. Bulletin of the American Meteorological Society, 98 (2), Seiten 271-288
Voigt, Christiane, ..., Minikin, Andreas, ..., Fütterer, Daniel, ...
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(2017). Sensitivities of Amazonian clouds to aerosols and updraft speed. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), Seiten 10037-10050
Cecchini, Micael Amore und Machado, Luiz A. T. und Andreae, Meinrat O. und Martin, Scott und Albrecht, Rachel I. und Artaxo, Paulo und Barbosa, Henrique M. J. und Borrmann, Stephan und Fütterer, Daniel und Jurkat, Tina und Mahnke, Christoph und Minikin, Andreas und Molleker, Sergej und Pöhlker, Mira und Pöschl, Ulrich und Rosenfeld, Daniel und Voigt, Christiane und Weinzierl, Bernadett und Wendisch, Manfred
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(2017): Illustration of microphysical processes in Amazonian deep convective clouds in the gamma phase space: introduction and potential applications, Atmos. Chem. Phys., 17, 14727-14746
Cecchini, M. A., Machado, L. A. T., Wendisch, M., Costa, A., Krämer, M., Andreae, M. O., Afchine, A., Albrecht, R. I., Artaxo, P., Borrmann, S., Fütterer, D., Klimach, T., Mahnke, C., Martin, S. T., Minikin, A., Molleker, S., Pardo, L. H., Pöhlker, C., Pöhlker, M. L., Pöschl, U., Rosenfeld, D., and Weinzierl, B.
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(2018): Aircraft-based observations of isoprene epoxydiol-derived secondary organic aerosol (IEPOX-SOA) in the tropical upper troposphere over the Amazon region, Atmos. Chem. Phys. Discuss.
Schulz, C., Schneider, J., Amorim Holanda, B., Appel, O., Costa, A., de Sá, S. S., Dreiling, V., Fütterer, D., Jurkat-Witschas, T., Klimach, T., Krämer, M., Martin, S. T., Mertes, S., Pöhlker, M. L., Sauer, D., Voigt, C., Weinzierl, B., Ziereis, H., Zöger, M., Andreae, M. O., Artaxo, P., Machado, L. A. T., Pöschl, U., Wendisch, M., and Borrmann, S.
