Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.The microphysics of clouds determine their radiative properties and thus also affect the radiation budget of the planet Earth. For this reason, the present work will treat the microphysical characteristics of cirrus clouds and Arctic boundary layer clouds. The study of these clouds has been realized by using various instruments, which detect particles in a diameter size range from 250nm up to 6.4mm and are mounted on research aircraft. An instrument intercomparison confirms that inside the areas where the instruments have an overlap, the arising discrepancies can be classified as very low. The primary instrument used here is called CCP (Cloud Combination Probe) and is a combination of one instrument that detects cloud particles on the basis of forward-scattered light and another one that records two dimensional silhouettes of cloud particles. The investigation of cirrus clouds was done by using data from the AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) campaign, which took place in 2013 above the German North Sea and Baltic Sea. Parameters such as particle diameter, particle number concentration, particle shape, ice water content, cloud height and cloud thickness of the detected cirrus clouds are determined and discussed in the context of the current state of knowledge. Furthermore, a detected cloud is analyzed in detail, which reflects the typical development process and the vertical structure of this cloud type. Arctic boundary layer clouds are examined on the basis of data, which were recorded during the VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) campaign in 2012 above the Canadian Beaufort Sea. This measurement campaign took place in the spring to observe the transition process from ice clouds via mixed-phase clouds to liquid water clouds. Under certain atmospheric conditions, the so-called Wegener-Bergeron-Findeisen process occurs inside of mixed-phase clouds, where liquid water droplets evaporate in favor of ice particles. It is confirmed that this process is detectable by microphysical measurements, particularly in the resulting size distributions. In addition, an Arctic liquid water cloud is examined in detail, which shows monomodal droplet size distributions inside the cloud. With an increasing altitude, the droplets grow and the maxima of the size distributions shift to larger diameters. In contrast to that, a change from monomodal to bimodal size distributions occurs in the upper transition zone, between the cloud and the cloud-free atmosphere. These bimodal size distributions show a Mode 1 with a droplet diameter of 20μm and a Mode 2 with a droplet diameter of 10μm. That this phenomenon is perhaps typical for Arctic liquid water clouds is shown by the analysis of the data set conducted here. Possible formation processes of the second mode can be explained by condensation of water vapor on aerosol particles that originate from an air layer above the cloud, or by eddies which import dry air masses into the cloud followed by subsequent evaporation of the cloud droplets. By using a direct numerical simulation, it is shown that the interference of dry air masses into the transition zone of the cloud is most likely causing the formation of Mode 2