Project

Cloud microphysics; Ice crystal formation; Fresh and aged mineral dust aerosols; Laboratory studies

Lead
Menschliche Aktivitäten führen zu Emissionen von Spurengases. Neben den Treibhausgasen gibt es auch solche Spurengase, die Aerosole (Feinstaub) verändern, was einen Einfluss auf die Eisbildung in Wolken haben könnte. Diesen möglichen Einfluss studieren wir in diesem Projekt, indem wir Mineralstäube in einem Stahltank zur Oberflächenmodifikation verschiedenen Spurengasen aussetzen. Diese Experimente werden mit in der Atmosphäre gealtertem Mineralstaub verglichen, der z.B. aus der Sahara stammt.
Lay summary
Experimentelle Studie zur Eiskeimfähigkeit von Mineralstaub in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit in der Atmosphäre Menschliche Aktivitäten verändern nicht nur das Klima, sondern auch chemischen Prozesse, die in der Atmosphäre stattfinden. Zum Beispiel führte die Einführung von Filtersystemen in Verkehr und Industrie zu einer starken Verringerung von einigen Spurengasen, was wiederum den Abbau anderer Substanzen verlangsamt hat. Auf der Oberfläche von Mineralstaub Aerosolen (luftgetragen Partikeln) finden Reaktionen mit Spurengasen statt, durch die ihre Oberflächeneigenschaften verändert werden. Sogenannte gealterte Staubpartikel können z.B. leichter Wasser kondensieren oder verlieren die Fähigkeit auf ihrer Oberfläche Eiskristalle wachsen zu lassen. Dadurch ändert sich ihr Einfluss auf die Wolkenbildung, und als Folge davon auf die Niederschlagsverteilung und den Strahlungshaushalt des Planeten. Die vorliegende Studie zielt auf die Untersuchung des Einflusses von Oberflächenveränderung auf die Eisbildung in Wolken ab. Es sind verschiedene Mechanismen bekannt wie Mineralstaubpartikel die Eisbildung begünstigen können, wobei das Gefrieren von Tropfen durch Kollisionen bisher noch wenig erforscht ist. Ein erster Schritt dieser Studie besteht darin zu quantifizieren wie häufig Partikel einer bestimmten Grösse von Tropfen eingefangen werden und ob eine Kollision ausreicht, um das Gefrieren des Tropfens bei einer bestimmten Temperatur zu verursachen. Zusammen mit bereits etablierten Experimenten, welche andere Eisbildungsmechanismen simulieren, kann dann der Einfluss von Partikeleigenschaften und Oberflächenmodifikationen untersucht werden. Zur Oberflächenmodifikation werden Mineralstäube in einem Stahltank Spurengasen (z.B. Schwefeldioxid, Stickoxide, Ozon) ausgesetzt. Diese Experimente werden mit in der Atmosphäre gealtertem Mineralstaub verglichen, der z.B. aus der Sahara stammt.

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Last update: 17.10.2013

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Clouds can be composed of ice crystals and/or water droplets. The relative abundance, sizes and shapes of these hydrometeors determine the radiative properties of clouds. The Earth’s climate is a strong function of the balance of incoming and outgoing radiation and therefore if cloud composition changes due to anthropogenic emissions it is important to assess the climate impact of these emissions. A detailed knowledge of all underlying and contributing processes to the radiative balance is necessary for this assessment. Ice in clouds forms via homogeneous and heterogeneous ice nucleation. For the latter, insoluble particles termed ice nuclei (IN) are required as catalysts to aid the ice formation process. Of the four heterogeneous ice nucleation processes, contact freezing is the least understood mechanism for which only limited experimental data is available. One reason for this is that contact freezing is a two-step process and to fully understand and quantify contact freezing, both steps need to be treated and preferentially measured independently. The two steps are the collision of a droplet with an aerosol particle, followed by the freezing of the droplet as a result of the collision, which in turn depends on ambient temperature conditions. Ultimately, a full microphysical characterization of an ice nucleus in all heterogeneous nucleation modes is needed to improve our understanding of the relative importance of the different nucleation modes for cloud formation processes.The most important IN in the atmosphere are mineral dust particles originating from desert regions such as the Sahara and Gobi deserts. Through anthropogenic activities, reactive trace gases such as O3, SO2, and NOx (nitric oxides) can be emitted into the atmosphere either directly or be formed by secondary processes caused by emissions of precursors. These reactive trace gases can also interact with existing particles like mineral dust and modify their properties such as hygroscopicity and chemical composition such that they can aid warm cloud formation by acting as condensation nuclei (CCN) or cold cloud formation by acting as IN. Motivated by such interactions in the troposphere we propose the following research objectives for this project: 1.To better quantify the collision of an aerosol particle with a supercooled droplet, using systematic laboratory measurements of the collisions between droplets and particles2.To measure contact freezing experimentally and infer from these the experiment-independent particle property “freezing efficiency” by using the data from objective 1 to de-convolve the collision from the freezing step in contact freezing.3.To quantify how reactions with trace gases modify the properties of dust samples (surrogates and Saharan dust sampled from the atmosphere) and their abilities to act as CCN and IN in all four heterogeneous ice nucleation modes.4.To characterize airborne Saharan dust sampled from the atmosphere chemically, physically, and mineralogically complementing the experiments mentioned under objective 3.