Cloud Condensation Nuclei and Ice-Nucleating Particles over the Southern Ocean: Abundance and Properties during the Antarctic Circum-navigation Expedition

Aerosol particles acting as cloud condensation nuclei (CCN) or ice nucleating parti- cles (INP) play a major role in the formation and glaciation of clouds. Thereby they exert a strong impact on the radiation budget of the Earth. Data on abundance and properties of both particle types are sparse, especially for remote areas of the world, such as the Southern Ocean (SO). In this work, unique results from ship-borne aerosol-particle-related in situ measurements and filter sampling in the summertime SO region are presented. An overview of CCN and INP number concentrations on the Southern Ocean is provided and, using additional analyses on particle chemical composition and air-mass origin, insights regarding possible CCN and INP sources and origins are presented, with the help of a correlation analysis. CCN number concentrations spanned 2 orders of magnitude, e.g. for a supersaturation of 0.3 % values ranged roughly from 3 to 590 cm⁻³. CCN showed variable contributions of organic and inorganic material. No distinct size-dependence of the CCN hygroscopicity parameter was apparent, indicating homogeneous composition across sizes (critical dry diameter on average between 30 nm and 110 nm). The relative contribution of sea spray aerosol (SSA) to the CCN number concentration was on average small (below 35 %). Ambient INP number concentrations were measured in the temperature range from −4 to −27 °C using an immersion freezing method. Concentrations spanned up to 3 orders of magnitude, e.g. at −16 °C from 0.2 to 100 m⁻³. Elevated values (above 10 m⁻³ at −16 °C) were measured when the research vessel was in the vicinity of land (excluding Antarctica). Lower, more constant concentrations were measured on the open ocean. This, along with results of backward-trajectory analyses, hints towards terrestrial and/or coastal INP sources being dominant close to ice-free (non-Antarctic) land. In pristine marine areas INP may originate from both oceanic sources and/or long range transport. A correlation analysis yielded strong correlations between sodium mass concentration and particle number concentration in the coarse mode (larger 1 µm), unsurprisingly indicating a significant contribution of SSA to that mode. CCN number concentration was highly correlated with the number concentrations of Aitken (10 to 100 nm) and accumulation mode particles (100 to 1000 nm). This, together with a lack of correlation between sodium mass and Aitken and accumulation mode number concentrations, underlines the important contribution of non-SSA, probably secondarily formed particles, to the CCN population.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Aerosol particle activation 2.1.1 Köhler theory 2.1.2 κ-Köhler theory 2.2 Ice nucleation 2.2.1 Homogeneous Freezing 2.2.2 Heterogeneous Freezing 3 Campaign, instrumentation, and data handling 3.1 Antarctic Circum-navigation Expedition 3.2 In situ aerosol measurements 3.2.1 Aerosol number size distribution 3.2.2 Cloud condensation nuclei 3.3 Off-line aerosol characterisation 3.3.1 High-volume sampling 3.3.2 Low-volume sampling 3.3.3 Ice nucleation droplet array (INDA) 3.3.4 Analysis of chemical composition 3.4 Further resources 3.4.1 In-water organic compound measurements 3.4.2 Wind measurements 3.4.3 Air-mass origin analysis 3.4.4 Fluorescent particles 3.4.5 Correlation analysis 4 Results and Discussion 4.1 Aerosol particles and cloud condensation nuclei 4.1.1 Particle number size distributions 4.1.2 CCN number concentrations 4.1.3 CCN hygroscopicity 4.1.4 Air-mass origin for aerosol particle and CCN measurements 4.2 Ice nucleating particles 4.2.1 INP abundance 4.2.2 Air-mass origin for INP measurements 4.3 Chemical composition of sampled aerosol particles 4.4 Correlation analysis 5 Summary and ConclusionsAerosolpartikel, die als Wolkennukleations- oder Eiskeime fungieren, spielen eine Schlüsselrolle in den Entstehungs- und Vereisungsprozessen von Wolken. Mit ihren wolkenrelevanten Eigenschaften haben diese beiden Arten von Aerosolpartikeln einen starken Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde. Messungen ihrer Häufigkeit und Eigenschaften sind selten, inbesondere in den entlegenen Regionen der Erde wie beispielsweise dem Südlichen Ozean. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von in situ und filterbasierten Partikelmessungen einer Forschungsfahrt auf dem Südlichen Ozean in den Sommermonaten der Südhalbkugel gezeigt. Ein erstmaliger Überblick über die Anzahlkonzentrationen der Wolkennukleations- und Eiskeime über dem Südlichen Ozean wird gegeben. Unter Berücksichtigung weiterer Messergebnisse zur chemischen Zusammensetzung der Partikel und Betrachtungen zur Herkunft der Luftmassen werden Rückschlüsse auf die Herkunft und Quellen der gesammelten, wolkenrelevanten Aerosolpartikel gezogen, auch mit Hilfe einer Korrelationsanalyse. Die Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime schwankte innerhalb von zwei Größenordnungen, beispielsweise zwischen 3 und 590 cm⁻³ bei 0.3 % Übersättigung. Die chemische Zusammensetzung der Wolkennukleationskeime variierte dabei stark, zwischen organischem und inorganischem Material. Der Hygroskopizitätsparameter zeigte keine Größenabhängigkeit, was für eine intern gemischte Population von Wolkennukleationskeimen spricht (kritische Partikeldurchmesser lagen im Mittel zwischen 30 und 110 nm). Der prozentuale Anteil von Seesalzpartikeln zur Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime war im Mittel gering (kleiner 35 %). Die Anzahlkonzentration der Eiskeime wurden im Temperaturbereich −4 bis −27 °C mittels einer filterbasierten Immersionsgefriermethode bestimmt. Die Anzahlkonzentrationen schwankten dabei im Bereich von bis zu drei Größenordnungen, beispielsweise zwischen 0.2 und 100 m⁻³ bei einer Temperatur von −16 °C. In Küstennähe, mit Ausnahme von Antarktika, wurden erhöhte Anzahlkonzen- trationen (über 10 m⁻³ bei −16 °C) gemessen. Niedrigere, weniger variable Anzahlkonzentrationen wurden hingegen auf offener See gemessen. Diese Beobachtungen, zusammen mit den Ergebnissen zur Luftmassenherkunft, sprechen für eine Dominanz von terrestrischen und/oder küstennahen Quellen der Eiskeime in der Nähe von eisfreiem (nicht-Antarktischem) Festland. Dabei können in den unbe- rührten, marinen Regionen die Eiskeime aus dem Meer selbst und/oder Ferntransport stammen. Eine Korrelationsanalyse zeigte einen starken Zusammenhang zwischen der Massenkonzentration von Natrium und der Anzahlkonzentration an groben Aerosolpartikeln (größer 1 µm). Daraus folgt ein signifikanter Anteil an Seesalzpartikeln in dieser Partikelgröße. Die Anzahlkonzentration der Wolkennukleationskeime korrelierte stark mit den Anzahlkonzentrationen der Aitken- (10 bis 100 nm) bzw. Akkumulationskerne (100 bis 1000 nm). Diese Beobachtung, zusammen mit dem Fehlen einer Korrelation zwischen Natriummasse und Aitken- oder Akkumulationskernanzahl, unterstreicht die Relevanz von Partikeln die nicht Seesalz sind (vermutlich sekundär geformten Aerosolpartikel) für die Population der Wolkennukleationskeime.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Aerosol particle activation 2.1.1 Köhler theory 2.1.2 κ-Köhler theory 2.2 Ice nucleation 2.2.1 Homogeneous Freezing 2.2.2 Heterogeneous Freezing 3 Campaign, instrumentation, and data handling 3.1 Antarctic Circum-navigation Expedition 3.2 In situ aerosol measurements 3.2.1 Aerosol number size distribution 3.2.2 Cloud condensation nuclei 3.3 Off-line aerosol characterisation 3.3.1 High-volume sampling 3.3.2 Low-volume sampling 3.3.3 Ice nucleation droplet array (INDA) 3.3.4 Analysis of chemical composition 3.4 Further resources 3.4.1 In-water organic compound measurements 3.4.2 Wind measurements 3.4.3 Air-mass origin analysis 3.4.4 Fluorescent particles 3.4.5 Correlation analysis 4 Results and Discussion 4.1 Aerosol particles and cloud condensation nuclei 4.1.1 Particle number size distributions 4.1.2 CCN number concentrations 4.1.3 CCN hygroscopicity 4.1.4 Air-mass origin for aerosol particle and CCN measurements 4.2 Ice nucleating particles 4.2.1 INP abundance 4.2.2 Air-mass origin for INP measurements 4.3 Chemical composition of sampled aerosol particles 4.4 Correlation analysis 5 Summary and Conclusion