Aerosolpartikel sind von herausragender Bedeutung für die Bildung von Wolken, da sie als Wolkenkondensationskerne in Flüssigwasserwolken and als Eiskeime in eisenthaltenden Wolken wirken. Veränderungen der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre beeinflussen die Eigenschaften von Wolken. Diese Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen stellen derzeit die größte Unsicherheit in unserem Verständnis des Klimawandels dar. Ein besseres Verständnis der Effekte von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen aus Satellitenbeobachtungen steht im Mittelpunkt der Forschung der Arbeitsgruppe.

Forschungsprofil

Die Forschung in der Arbeitsgruppe Aerosole und Wolken hat ihren Schwerpunkt in der Untersuchung des Zusammenwirkens von Aerosolen und Wolken in der Atmosphäre. Dies beinhaltet satellitenbasierte Studien des Effekts von Aerosolpartikeln auf die Eigenschaften und die Lebensdauer von Wolken, die Betrachtung des Auftretens arktischer Mehrschichtwolken mit bodengebundenen Fernerkundungsgeräten, die Beobachtung des Auftretens Polarer Stratosphärenwolken (PSCs), und die Abschätzung des Effekts des Flugverkehrs auf natürlich auftretende Zirruswolken.

Cumuluswolken fotografiert aus einem Flugzeug. Foto: Katrin Schandert
Welchen Einfluss haben Aerosole auf die Wolkenbildung - Wolkenformation über dem Mittelmeer. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig

Forschungsschwerpunkte

  • Aerosol-Wolken-Niederschlag-Strahlung-Wechselwirkungen (Indirekte Aerosoleffekte)
  • Aktive und passive Satellitenbeobachtungen
  • Bestimmung der Konzentration von Wolken- und Eiskeimen aus Weltraumlidarbeobachtungen
  • Quantifizierung der Lebensdauer von Wolken
  • Einfluss des Flugverkehrs auf Wolken und das Klima
  • Eigenschaften Polarer Stratosphärenwolken
Neben einer Cumuluswolke sind die hohen Eiswolken, die Zirren zu sehen. Darunter ist auch eine linienförmige Zirruswolke, ein Kondensstreifen von einem Flugzeug. Johannes Quuas
Wolken treten in vielfältigen Formen auf und werden durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Dies ist besonders bei Kondensstreifen sichtbar. Foto: Johannes Quaas / Universität Leipzig

Laufende Forschungsprojekte

Particles in Aerosol Cloud Interactions: Stratification, CCN/INP concentration and Could Lifecycle (PACIFIC)

Die Uhr läuft – das Pariser Klima-Abkommen hat mit seinen Zielsetzungen verdeutlicht, was sich ändern muss. Doch noch immer sind viele Zusammenhänge des Klimawandels unerforscht. Durch ein neues Programm erhalten internationale Forscher und Forscherinnen nun die Gelegenheit, diese Fragen aus den Bereichen der Klima-, Energie- und Erdsystemforschung an deutschen Hochschul- und Forschungseinrichtungen zu ergründen.

Vier Windkrafträder stehen auf einem Feld. Foto: Uwe Päsler / Stadtverwaltung Riesa
Windkraftanlage bei Riesa. Foto: Uwe Päsler / Stadverwaltung Riesa

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD)umgesetzte Programm geht auf die Initiative „Make Our Planet Great Again" des französischen Staatspräsidenten Emmanuel Macron zurück. Dafür stellt das BMBF 15 Millionen Euro (zzgl. Eigenanteile deutscher Institutionen) bereit, um im engen Austausch mit der französischen Initiative entsprechende internationale Forschungsprojekte zu fördern. Insgesamt stehen den Forschungsgruppen jeweils bis zu eine Million Euro (Junior Researcher) bzw. 1,5 Millionen Euro (Senior Researcher) zur Verfügung.

Laufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2023
Team: Fani Alexandri, Peter Bräuer, Goutam Choudhury, Dr. Torsten Seelig, Felix Müller, Dr. Matthias Tesche

Noch immer gibt es beim Klimawandel viele Wissenslücken. Diese wollen Forschende der deutsch-französischen Initiative „Make Our Planet Great Again“ nun schließen. In 13 Projekten widmen sie sich der Klima-, Energie- und Erdsystemforschung.

Aerosolpartikel sind von herausragender Bedeutung für die Bildung von Wolken, da sie als Wolkenkondensationskerne in Flüssigwasserwolken and als Eiskeime in eisenthaltenden Wolken wirken. Veränderungen der Aerosolkonzentration in der Atmosphäre beeinflussen die Reflektivität, die Entwicklung, die Wasserphase, die Lebenszeit und die Regenrate von Wolken. Diese Prozesse werden als Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen bezeichnet. Obwohl ihr Einfluss auf das Klima der Erde seit Jahrzenten einen Schwerpunkt der Atmosphärenforschung bildet, ist unser derzeitiger Wissensstand, so wie er im letzten Bericht des Weltklimarates zusammengefasst wurde, dass Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen die größte Unsicherheit zu unserem Verständnis des Klimawandels beiträgt.

PACIFIC wird unser Verständnis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen durch zwei Innovationen verbessern:

(1) die Charakterisierung der für diese Prozesse relevanten Aerosolpartikel und

(2) die Untersuchung der zeitlichen Veränderung der Eigenschaften von Wolken im Verlauf ihres Lebenszyklus.

Untersuchungen von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen mit Geräten auf polarumlaufenden Satelliten sind auf Wolkenbeobachtungen zu festen Zeiten beschränkt. Die für solche Studien benötigte Information der Anzahl vorhandener Wolkenkondensationskerne wird derzeit aus säulenintegrierten optischen Aerosoleigenschaften abgeschätzt. Eine ähnliche Methodik zur Abschätzung der Konzentration von Eiskeimen existiert nicht, da deren Eigenschaften von der Art und Größe der Partikel abhängen. Daher sind zur Zeit keinen Studien von Aerosol-Wolken- Wechselwirkungen auf eisenthaltende Wolken basierend auf Fernerkundungsmessungen möglich. Die quantitative Abschätzung der Bedeutung von Aerosolen in Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen verlangt, dass Informationen über die räumliche Verteilung von Wolkenkondensationskernen und Eiskeimen vorhanden sind.

In der Arbeitsgruppe Aerosole und Wolken nutzen wir unsere Expertise in der Arbeit mit modernsten Lidarfernerkundungsmethoden, um bisher nicht erhältliche Informationen über die Konzentration von Wolkenkondensationskernen und Eiskeimen aus weltraumgetragenen Lidarmessungen zu erlangen. Des Weiteren charakterisieren wir die Entwicklung von Wolken vor und nach der Punktbeobachtung mit polarumlaufenden Geräten, indem wir diese Wolken in zeitlich aufgelösten Beobachtungen von geostationären Geräten verfolgen. Die neuartige Information verwenden wir zum Studium der Effekte von Wolkenkondensationskernen und Eiskeimen auf die Helligkeit, den Flüssig- und Eiswassergehalt, die Tropfen- und Eiskristallgröße, die Entwicklung, die Wasserphase und die Regenrate von Wolken in verschiedenen Wolkenregimen. Besonderes Augenmerk legen wir dabei auf eine umfassende Berücksichtigung der meteorologischen Rahmenbedingungen.

Mehrschichtige Arktische Mischphasenwolken

Förderung: Bundesministerium für Forschung und Bildung

Im Gegensatz zu anderen Orten können Wolken in der Arktis mit ihrer im Vergleich zur Erdoberfläche oft wärmeren Wolkenoberkante eine erwärmende Wirkung auf der Erdoberfläche ausüben. Die Untersuchung arktischer Wolken hat sich bisher auf sogenannten Einschichtwolken fokussiert. Diese bilden sich in der Regel am Oberrand der planetaren Grenzschicht. Wenn Wolken in mehreren Höhen gleichzeitig auftreten (Mehrschichtwolken), könnten sie einen Einfluss auf die Energiebilanz der Erdoberfläche ausüben, der sich von dem von Einschichtwolken unterscheidet. Dies hat mehrere Gründe: (i) den komplexen Strahlungstransport im Vergleich zu Einschichtwolken, (ii) der Einfluss oberer Wolken auf die diabatische Abkühlung darunter liegender Wolken und (iii) Eiskristalle, die aus oberen in die unteren Wolken fallen, können durch Eisimpfung die Wasserphase der unteren Wolken verändern und damit die Bildung von Mischphasenwolken im Temperaturbereich des heterogenen Gefrierens ermöglichen.

MAMiP strebt an, die Lücken in unserem wissenschaftlichen Verständnis arktischer Mehrschichtwolken zu schließen. Folgende Fragen sollen beantwortet werden:

  1. Wie häufig treten Mehrschichtwolken im Vergleich zu Einschichtwolken auf?
  2. Wie oft tritt Eiskristallimpfung in arktischen Mischphasenwolkensystemen auf?
  3. Welche Faktoren bestimmen das Auftreten von Eiskristallimpfung? Lösen sich geimpfte Wolken eher auf oder verdicken sie sich?
  4. Welchen Einfluss haben Mehrschichtwolken auf die Energiebilanz an der Meeresoberfläche?
  5. Welche Rolle spielen Mehrschichtwolken in der arktischen Verstärkung des Klimawandels?

Teilprojekt: MAMiP:O: Beobachtungen arktischer Mehrschichtwolken

Laufzeit: 01.07.2021 – 30.06.2024
Team: Dr. Peggy Achtert, Dr. Matthias Tesche
Die Arbeitsgruppe wertet über MOSAiC hinausgehende Beobachtungen aus.

Teilprojekt: MAMiP:M,

Leitung: Arbeitsgruppe Wolkenphysik am Karlsruher Institut für Technologie
Basierend auf den beobachteten Fällen mit Hilfe von wolkenauflösender Modellierung mit dem ICON-LEM Modell wird die Wechselwirkung von Strahlungs- und Mikrophysikprozessen, die Vorhersagbarkeit von Mehrschichtwolken und ihr Einfluss auf die Energiebilanz an der Oberfläche untersucht.

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