Untersuchungen zur kleinskaligen vertikalen und horizontalen Variabilität des atmosphärischen Grenzschichtaerosols mit unbemannten Flugsystemen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jens Bange; Professorin Dr. Astrid Lampert; Professor Dr. Alfred Wiedensohler
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218345998

Ziel des Projekts ist die in situ Untersuchung der vertikalen und horizontalen Verteilung von Aerosol in der polaren Grenzschicht. Kleinskalige atmosphärische Prozesse und die Variabilität von Aerosol werden mit automatisch fliegenden unbemannten Flugsystemen (UAS) untersucht. Sie erweitern die Möglichkeiten der Aerosolforschung und schließen die Lücke zwischen kontinuierlichen bodengestützten Messungen und aufwendigen Flugzeugmessungen. In dem Projekt werden gleichzeitig drei UAS verwendet. Ein miniaturisiertes Aerosol-Messsystem, das die Partikelkonzentration in acht Größenbereichen detektiert, wurde im Rahmen des DFG-Projekts LA 2907/5-1, BA 1988/14-1, WI 1449/22-1 für das neue UAS ALADINA entwickelt und charakterisiert. Von besonderer Bedeutung für das Projekt ist die Verwendung von zwei Kondensationskern-Zählern mit unterschiedlicher Nachweisgrenze für sehr kleine, neu gebildete Partikel, mit dem genauen Durchmesser einstellbar im Bereich von 5 und 20 nm. Die anderen beiden UAS vom Typ MASC liefern Messungen der turbulenten thermodynamischen Eigenschaften der Grenzschicht (z.B. turbulente Flüsse), sowie von größeren Aerosolpartikeln. Mit verschiedenen Flugmustern ergibt sich durch Verwendung von drei UAS gleichzeitig ein dreidimensionales Bild der atmosphärischen Parameter und der Aerosolverteilung. Der Einsatz der Messsysteme erlaubte in den beiden Vorgängerprojekten die Charakterisierung der Variabilität von Aerosol und insbesondere die vertikale Dynamik der Partikelneubildung an einem ländlichen, kontinentalen Standort (Melpitz bei Leipzig). Es konnte gezeigt werden, dass Partikelneubildung typischerweise morgens zunächst am Oberrand der Grenzschicht auftritt, und die Partikel mit dem Ausbilden einer konvektiv durchmischten Schicht bis zum Boden transportiert werden, wo sie dann auch mit in situ Boden-Geräten nachgewiesen werden können.Die bewährten Systeme sollen nun genutzt werden, um vor dem Hintergrund von kontinuierlichen bodengestützten Aerosol-Messungen die Aerosol-Variabilität in der polaren Grenzschicht (Ny-Alesund, Svalbard) zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist in Ny-Alesund die Übergangszeit der Aerosol-Eigenschaften von größeren, gealterten Aerosol-Partikeln im Frühling (Arktischer Dunst) zu den überwiegend kleinen, lokal gebildeten Aerosol-Partikeln im Sommer. Zudem modifiziert die kleinskalige, variable Orographie die Verteilung von Aerosol, und es treten lokale meteorologische Effekte wie spezielle Windsysteme in Fjordrichtung auf. Aerosol-Messungen werden nicht nur auf Meereshöhe am Kongsfjord durchgeführt, sondern auch auf dem Zeppelin-Berg (474 m). Fernerkundungs-Messungen liefern zudem kontinuierlich optische Eigenschaften der Aerosol-Verteilung. Numerische Experimente zur Partikelneubildung basierend auf den gewonnenen Daten runden die Studie ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland, Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michael Boy; Dr. Roland Neuber; Dr. Christoph Ritter; Professor Dr. Johan Ström; Professor Dr. Manfred Wendisch