Modellierung der Eiskristallbildung von Kondensstreifen mit einer verbesserten Darstellung der Aerosol- und Eismikrophysik

• Antragsteller: Dr. Andreas Bier
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412514550

Kondensstreifenzirren (bestehend aus jungen und gealterten Kondensstreifen) haben einen großen Anteil an der anthropogenen Klimaerwärmung durch den Luftverkehr. Die Anzahl der gebildeten Eiskristalle von Kondensstreifen (KS) hat einen sehr starken Einfluss auf den weiteren Lebenszyklus, Eigenschaften und Strahlungswirkung der Kondensstreifenzirren. Im vorherigen Projekt bestand das Hauptziel darin, zwei komplementäre Ansätze hinsichtlich der Kondensstreifenbildung miteinander zu verknüpfen. Das bedeutet, die KS hinter Passagierflugzeugen mit Large Eddy Simulationen (LES) und einer soliden Darstellung der KS-Mikrophysik zu simulieren. Im Vorgängerprojekt wurde der Fokus darauf gesetzt, das partikel-basierte LCM hinsichtlich der Mikrophysik zur KS-Bildung zu erweitern. Dabei wurde die Eiskristallbildung an Rußpartikeln und später auch an den in den Abgasstrahl eingemischten Hintergrundpartikeln integriert, um die KS-Bildung sowohl für konventionelle als auch für Flugzeuge mit Wasserstoffverbrennung zu simulieren. Die entsprechenden Studien wurden mit einem LCM-basierten Boxmodell durchgeführt. Andererseits gab es Schwierigkeiten, eine sinnvolle turbulente Jetaufweitung mit dem LES-Model EULAG zu simulieren, sodass die beabsichtigten 3D-Simulationen mit KS-Bildung noch ausstehen. Während im Nachfolgeprojekt dieses grundlegende Ziel weiterverfolgt wird, sollen zwei weitere wesentliche Aspekte hinsichtlich der Erweiterung der KS-Bildungs-Mikrophysik im LCM in Angriff genommen werden: 1.) Der Strahlungsantrieb von Kondensstreifen, die sich in natürlichen Zirren gebildet haben, wurde in Luftverkehr-Mitigationsbewertungen bisher nicht berücksichtigt. Es gibt bisher nur eine Studie, die in einem regionalen Klimamodell Kondensstreifenbildung in natürlichen Zirren analysiert hat. In diesem Projekt soll die KS-Bildung in bereits existierenden Zirren mit dem LCM simuliert und der Einfluss des existierenden Zirrus auf die Bildung des KS untersucht werden. Schließlich sollen für verschiedene Zirrus-Typen, atmosphärische Bedingungen und Rußpartikelemissionen die Gesamteigenschaften von KS und Zirrus im Vergleich zum Zirrus vorher analysiert werden. 2.) In Zukunft sollen die Triebwerks-Rußpartikelemissionen durch verschiedene Regularien und Mitigationsmaßnahmen deutlich sinken. Daher ist zu erwarten, dass die KS-Bildung an ultrafeinen volatilen Partikeln (uvP) eine zunehmende Rolle spielen wird. Beispielsweise wurden neulich hinter Triebwerken mit Magerkammerverbrennung deutliche Rußanzahl-Reduktionen gemessen, während die Eiskristallanzahl in KS im Vergleich zum klassischen Fettverbrennungsfall sehr ähnlich blieb. Das deutet klar auf eine signifikante Eiskristallbildung an uvP für rußarme Emissionen hin. Daher sollen zusätzlich zu Ruß- und Hintergrundpartikeln uvP in das LCM integriert werden. Neben der Untersuchung ihres Eiskristallbildungsverhaltens für verschiedene Emissionsszenarien soll die Koagulation zwischen uvP (und uvP und Ruß) eingebaut werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Dr. Simon Unterstraßer
• Kooperationspartner: Professor Dr. Piotr Smolarkiewicz