Influence of deep convection on particle formation and aerosol budget in the free troposphere from airborne observations with HALO (PARTFORM-HALO)
Final Report Abstract
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.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.5194/acp-2018-232)
