Das Projekt "Laboratory and Field Studies of Ice Nucleation: Natural and Anthropogenic Effects" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Atmosphäre und Klima durchgeführt. Neben CO2, dessen Einfluss auf das Klima inzwischen erwiesen ist, gibt es noch eine Reihe anderer Einflussgrössen auf das Klima z.B. Methan aber auch Staubpartikel (Aerosole) und deren Einfluss auf die Bildung von Wolken. Der letztgenannte zählt zu den am wenigsten verstandenen und quantifizierbaren Effekten auf das Klima und wird unter dem Oberbegriff Aerosol-Wolken-Wechselwirkung zusammengefasst. Wolken bestehen aus flüssigen Tröpfchen, die je nach Umweltbedingungen auch deutlich unter 0 C als sogenannte unterkühlte Tröpfchen existieren können, und/oder Eiskristallen. Besonders die Bildung von Eiskristallen ist ein wichtiger Prozess in Wolken, weil die Niederschlagsbildung häufig über die Eisphase initiiert wird. Zudem reflektieren Eiskristalle Licht anders als flüssige Tröpfchen. Die Bildung von Eiskristallen setzt entweder sehr tiefe Temperaturen voraus (kälter als -38 C) oder die Anwesenheit von sogenannten Eiskeimen, die die Bildung von Eis oder das Gefrieren von Tröpfchen katalysieren. Dieses Projekt befasst sich mit dem Einfluss dieser Eiskeime auf Wolken und deren Veränderung durch menschliche Aktivitäten. Es ist bekannt, dass z.B. Wüstenstaub sehr gut als Eiskeim wirkt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die dafür verantwortlich sind, sind jedoch wesentlich weniger gut bekannt und noch weniger weiss man darüber, wie diese Eigenschaften durch menschliche Emissionen, z.B. von Abgasen, beeinflusst werden können. Um diese Einflüsse zu untersuchen, werden im Labor Staubpartikel als Aerosol (d.h. luftgetragen) in einem Edelstahltank gespeichert und mit verschiedenen Spurengasen versetzt, die in der Atmosphäre als Folge menschlicher Aktivitäten anzutreffen sind (z.B. Schwefeldioxid, Stickoxide, Ozon). Während dieser künstlichen 'Alterung' der Aerosole werden kontinuierlich deren Eigenschaften mit verschiedenen Methoden untersucht. Eine zentrale Rolle spielen dabei Instrumente, die in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurden, und mit denen man die Bildung von Eis auf Aerosolen untersuchen kann. Da es verschiedene Mechanismen gibt, die die Eisbildung initiieren können (z.B. Eisbildung direkt auf den Partikeln oder das Gefrieren von bereits existierenden unterkühlten Tröpfchen) sind verschiedene Instrumente notwendig, in denen diese Prozesse simuliert werden. Aus diesen Messungen sollen schlussendlich Parametrisierungen über die Initiierung der Eisphase für die verschiedenen Eiskeime und die verschiedenen Gefriermechanismen abgeleitet werden. Diese Parametrisierungen können dann in Klimamodellen verwendet werden um den Einfluss von anthropogenen Aerosolen auf Eiswolken zuverlässiger abzuschätzen zu können.
Das Projekt "Modelling of aerosol effects in mixed-phase clouds" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Paul Scherrer Institut, Labor für Atmosphärenchemie durchgeführt. As summarised in the 4th IPCC report, the indirect effect of aerosols on cloud properties constitutes the single largest remaining uncertainty in the climate system. In this project, we propose to make use of a uniquely comprehensive set of observations, in combination with detailed microphysical modelling, to develop accurate ice nucleation parameterisations for different types of aerosol in mixed-phase clouds. Further, we will use the combination of a detailed microphysical box model and a highly resolved three-dimensional model (the weather research and forecasting model, WRF) with spectral bin microphysics, to determine which dynamical processes need to be accounted for, in order to accurately represent the cloud microphysical properties. One of our main objectives in this work, which makes this project novel and original, is to contribute to the resolution of the recent controversy surrounding the efficiency of black carbon aerosol as an ice nucleus. The development of model parameterisations of ice nucleation in clouds is often hampered by the necessity to base the parameterisations on idealised laboratory experiments, and by the paucity of cloud microphysical measurements suitable for model validation. However, this project is in a unique position to benefit from several observational data sets gathered during recent measurement campaigns. The observations on which we will base the modelling work are performed at the high altitude Swiss research station on the Jungfraujoch and provide a highly detailed description of the physical and chemical properties of the ice nucleating aerosol particles in ambient clouds. In addition, they describe the microphysical properties of the observed clouds. The measured aerosol properties give us the benefit of being able to initialise the models with the actual aerosol found in the clouds, rather than an idealised background aerosol derived from emission inventories or large scale models. The observed cloud microphysical properties will allow us to constrain and validate the model simulations in exceptional detail. The models will be tested in their original form, with their existing microphysical parameterisations, and these will then be further developed until the models can represent the observed cloud properties. Special attention will be given to the roles of black carbon (BC) aerosol, because of its anthropogenic source, and the uncertainty surrounding its activity as an ice nucleus (IN) and to mineral dust, because of its high IN activity. We will further use the combination of models and observations to try to identify other important IN components in the observed aerosol, such as biogenic particles or organic species. (...)