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Measurement-Based understanding of the aeRosol budget in the Arctic and its Climate Effects

English title Measurement-Based understanding of the aeRosol budget in the Arctic and its Climate Effects
Applicant Schmale Julia
Number 188478
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution EPFL Valais Wallis
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.12.2019 - 31.12.2022
Approved amount 739'681.00
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Keywords (6)

climate; aerosol; cloud; Arctic; winter; MOSAiC

Lay Summary (German)

Lead
Die Arktis erwärmt sich zwei- bis dreimal schneller als andere Regionen auf der Erde. Am deutlichsten wird dieses Phänomen, welches Arktische Amplifizierung genannt wird, am Rückgang des Meereises, dessen Ausdehnung sich um 39 % reduziert in den letzten Jahrzeiten hat. Diese und andere drastische Veränderungen haben Auswirkungen auf das globale Klima und auch das Wetter in der Nordhemisphäre. Die grösser werdenden Treibhausgaskonzentrationen und die Verdunklung der Arktis durch die Abnahme von Schnee und Eis sind die wichtigsten Faktoren für die Erwärmung. Aber die weiteren Ursachen für die Arktische Amplifizierung sind noch nicht im Detail geklärt, wie z. B. die Rolle von Aerosolen und Wolken.
Lay summary

Wolken sind sehr wichtig für die Energiebilanz der Arktis. Tiefliegende Wolken haben dort aufgrund der besonderen Umweltbedingungen einen wärmenden Effekt. Wenig ist bekannt, wie die Wolkeneigenschaften von den natürlichen und menschengemachten Aerosolpartikeln in der Arktis abhängen. Die Wissenslücken sind auf die wenigen Messungen dort zurückzuführen, vor allem während der Wintermonate im Packeis des Ozeans. Deshalb nutzen wir den Eisbrecher Polarstern als Plattform, der für die internationale Expedition MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) von September 2019 bis Oktober 2020 mit dem arktischen Meereis driftet. Wir messen dort die Eigenschaften des atmosphärischen Aerosols wie z.B. die Anzahlkonzentration, Grössenverteilung, chemische Zusammensetzung und Fähigkeit zur Wolkentröpfchenbildung. Diese Informationen helfen uns zu klären, wie stark der menschengemachte Einfluss auf Wolkenkondensationskeime ist, und wie sich damit die Strahlungseigenschaften der Wolken verändern. Wir sind auch daran interessiert zu verstehen, welche natürlichen Schlüsselprozesse sich mit der Erwärmung der Arktis ändern werden und wie dies die Eigenschaften der Wolken beeinflussen wird. Weniger Meereis bedeutet z. B. mehr offenes Wasser und daher ein grösseres Potential für Gischt Aerosole zu bilden. Ein weiterer wenig untersuchter Aspekt ist, inwiefern die Neubildung von Partikeln zur Anzahl der Wolkenkondensationskeime beiträgt und inwiefern dies unter rein natürlichen oder vom Menschen beeinflussten Bedingungen stattfindet.

Die Einbettung dieses Projektes in die interdisziplinäre MOSAiC Expedition ermöglicht es uns, unsere Ergebnisse mit denen aus der Ozeanographie, Mikrobiologie, Meteorologie und anderen Feldern zu verknüpfen, um ein besseres Systemverständnis zu schaffen. Unser Beitrag wird von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Strahlungswirkungen von Wolken in der Arktis und ihrer natürlichen und anthropogenen Treiber sein. Mit unserem Datensatz können Modelle ausgewertet und verbessert werden, um den arktischen Klimawandel und seine weitreichenden Folgen besser vorhersagen zu können.  

 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 30.09.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
187566 Source Apportionment of Russian Arctic Aerosol (SARAA) 01.04.2020 Scientific Exchanges
169090 Natural Atmospheric new particle formation (NAPF) 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The Arctic is warming twice as fast as the global average. This phenomenon is called Arctic amplification. The temperature has increased by two to three degree Celsius compared to the preindustrial time and sea ice has retreated by 39 % since the beginning of satellite observations. Arctic change plays a crucial role for global climate evolution as well as mid-latitude weather patterns. The strongest drivers of Arctic amplification are warming through CO2 forcing and sea ice retreat (albedo effect). However, low-level clouds, which modulate the surface energy budget, have also been recognized as important. Their lifecycle and effects over the central Arctic Ocean remain unclear and models fail to correctly simulate them. This shortcoming is partly due to insufficient information on cloud phase, i.e. existence of liquid droplets and ice crystals. Particularly liquid droplets modulate cloud radiative properties responsible for warming. Droplets form on cloud condensation nuclei (CCN), a subset of aerosol particles. Aerosol particle concentrations over the central Arctic Ocean can be extremely low such that cloud properties are strongly influenced by CCN availability, and in extreme cases cloud formation is even inhibited. Information on aerosols is scarce for all seasons, but in particular for the cold and dark period when clouds have a pronounced warming effect. To date, only information from land-based stations further south provide proxy information on central Arctic Ocean aerosols in winter. Here, we propose to use the unique field experiment Multidisciplinary Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) to elucidate sources and properties of aerosols in the central Arctic Ocean and their interactions with clouds. An icebreaker will drift between September 2019 and October 2020 in the central Arctic sea ice, hosting a suite of experiments that study the ocean, sea ice, ecosystems, biogeochemistry, the atmosphere and connections between them. We equip a laboratory container with state-of-the-art aerosol instrumentation, including several high-resolution mass spectrometers, to study new particle formation (NPF), their growth, the chemical composition of vapors forming particles and of the particles themselves, and activation of particles to cloud droplets. Our guiding research questions are: 1. What are the contributions of natural versus anthropogenic sources to central Arctic Ocean CCN concentrations and how do they vary throughout the seasons?2. How important is NPF and growth for the CCN budget? Which vapors, natural and anthropogenic, are involved?3. Which key natural processes are likely to change the CCN budget and control cloud properties with global warming? 4. How strongly are liquid cloud radiative properties controlled by availability of CCN throughout the seasons? Our contribution will be central to understanding the radiative effects of clouds in the Arctic and their natural and anthropogenic drivers. With our dataset, models can be evaluated and improved for better predictions of Arctic climate change and its far-reaching consequences.
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