Dust-related ice formation in the troposphere (DRIFT)
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Projekts wurde eine als einzigartig zu bezeichnende 11–jährige Lidardatenreihe des Leibniz–Instituts für Troposphärenforschung (IfT) hinsichtlich auftretender Wolken und deren Vereisung ausgewertet. Die letzten drei Jahre der Messreihe wurden innerhalb dieses DFG–Projekts erhoben. Die Hauptfrage des Projekts lautete: Begünstigt der Wüstenstaub aus der Sahara die heterogene Eisbildung in troposphärischen Wolken, wie in der Fachwelt angenommen wird, oder nicht? Die Zahl experimenteller Untersuchungen dazu ist wegen des schwierigen Zugangs zu diesen Wolken in der freien Troposphäre gering. Es gibt damit wenige experimentell belegte Nachweise für diese These. Die aktive Fernerkundung ist ein geeignetes Hilfmittel zur Untersuchung des Einflusses von Saharastaub auf die Vereisung von Wolken. Die IfT–Lidarmessungen lieferten die für die Untersuchungen wichtigen Informationen über Wolkenobergrenzen (dort ist die Wolke am kältesten und dort beginnt die Eisbildung), der thermodynamischen Phase der Wolke (d.h., ob die Wolke Eis enthielt oder nicht) und über die Anwesenheit von Saharastaub (und damit grobe Schätzungen über den Eiskeimgehalt). Neben der Erstellung der Lidardatenbank (etwa 2400 Wolkenfälle wurden ausgewertet) war die Erstellung von zugehörigen umfangreichen Datenbanken hinsichtlich Wolkenobergrenzentemperaturen (aus verfügbaren Radiosondenaufstiegen und Modellrechnungen) und Luftmassen–Rückwärtstrajektorien notwendig. Weiter waren umfangreiche, neuartige Untersuchungen mit dem Aerosol– Wolkenlidar und einem vertikal scannenden Doppler–Lidar des Instituts zur Untermauerung der These notwendig, dass eine eindeutigen Bestimmung der Wolkenphase mit einem exakt vertikal ausgerichteten Lidar möglich ist. Die Ergebnisse der Arbeit kann man folgendermaßen zusammenfassen: Zunächst einmal wurde ein klare Abhängigkeit der heterogenen Eisbildung in mittelhohen Wolken von der Temperatur gefunden. Mit abnehmender Wolkenoberkantentemperatur nimmt der Anteil Eis enthaltender Wolken in Bezug auf die insgesamt in einem gegebenen 5–K–Temperaturinterval gefundenen Fälle schnell zu, von < 10% bei Temperaturen über −10 °C, auf 50%–60% bei −15 bis −20 °C, und > 90% ab −25 °C. Die Einflussnahme höherer Wolken auf die Eisbildung in niedrigeren Wolkenschichten (durch cloud seeding) erschwerte dabei die Bestimmung der Temperaturabhängkeit. Eine klare, hervorgehobene Einflussnahme durch Wüstenstaub wurde nicht gefunden. Zwar zeigte sich in Einzelfällen Eisbildung bei recht hohen Temperaturen um die −10 bis −15 °C in Gegenwart hochreichenden Wüstenstaubs über Leipzig, aber die auf rund 750 Trajektorien basierende Clusteranalyse zeigte im Verbund mit den Lidarmessungen keinen signifikanten Unterschied bzgl. der Temperaturabhängigkeit der heterogenen Eisbildung zwischen Fällen mit Wolken, die sich in Luftmassen bildeten, die vom Nordatlantik herangeführt wurden (also keinen Wüstenstaub enthielten) und den Fällen mit Wolken, die sich in Luftmassen bildeten, die ihren Ursprung in Nordafrika hatten.
