Forschungsprojekte

Eigenschaften in Cirruswolken eingebetteter Kondensstreifen aus flugzeuggetragenen Fernerkundungsdaten (PICARD)

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit: 01.10.2023 – 30.09.2026

Team: Dr. Matthias Tesche, Mahshad Soleimanpourboroujeni

Der Flugverkehr beeinträchtigt die Energiebilanz der Erde auf vielfältige Weise. Neben dem Ausstoß von Abgasen gibt es Effekte, die nicht im Zusammenhang mit der Emission von CO₂ stehen. Kondensstreifen sind der wohl bekannteste nicht-CO₂-Effekt des Flugverkehrs. Sie können sich in ausgedehnte und langlebige Zirren entwickeln und somit zum vermehrten Auftreten hoher Wolken führen. Während sich optisch dicke Zirren kühlend auf die Atmosphäre auswirken, können optisch dünne Zirren zu Erwärmung führen. Flugzeugemissionen können die Neubildung von optisch dünnen oder optisch dicken Zirruswolken auslösen. Flugzeuge können aber auch durch bereits existierenden Zirrus fliegen und darin eingebettete Kondensstreifen bilden, welche die Wolkeneigenschaften verändern. Diese Auswirkungen sind bis heute kaum quantifiziert, da es an direkten Messungen und Modellierungsstudien mangelt. Nur zwei Beobachtungsstudien haben sich mit diesem Thema befasst. Tesche et al. (2016) zeigen anhand von Weltraumlidarmessungen, dass eingebettete Kondensstreifen die optische Dicke bereits vorhandener Zirren erhöhen. Marjani et al. (2022) fanden bei der Analyse kombinierter Lidar-Radardaten der Fälle in Tesche et al. (2016) heraus, dass die Eiskristallzahlkonzentration in Zirrusregionen zunimmt, die von vorbeifliegenden Flugzeugen beeinflusst worden. PICARD wird die höhere räumlich-zeitliche Auflösung und Messempfindlichkeit von flugzeuggetragenen Lidar- und Radarmessungen im Vergleich zu weltraumgestützten Beobachtungen mit denselben Messverfahren nutzt. Beobachtungen von Zirruswolken während mindestens vier Messkampagnen mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO in Regionen, in denen Flugzeuge häufig bereits bestehende Zirruswolken durchfliegen, werden auf zufällige Beobachtungen von eingebetteten Kondensstreifen untersucht. Lidar-Messungen während der Zirren-Experimente ML-CIRRUS und CIRRUS HL werden zur Entwicklung, Erprobung und Verifizierung einer Maske zur Erkennung von Inhomogenitäten in Zirruswolken verwendet, die mit dem Durchflug einzelner Flugzeuge in Verbindung gebracht werden können. Die Maske wird sowohl auf diese Beobachtungen als auch auf die kombinierten Lidar-Radar-Beobachtungen während NARVAL 1 und NAWDEX angewendet. Der gewonnene Datensatz wird verwendet, um die Auswirkungen von eingebetteten Kondensstreifen auf die optischen (Lidar) und mikrophysikalischen (Lidar-Radar) Eigenschaften von bereits bestehenden Zirruswolke zu quantifizieren. Die Datenbank der eingebetteten Kondensstreifen aus HALO-Messungen wird verwendet, um einen Referenzdatensatz für die hochauflösende Modellierung von eingebetteten Kondensstreifen zu erstellen, welche derzeit noch in den Kinderschuhen steckt. PICARD ist daher von großer Bedeutung für die Abschätzung der Klimaauswirkungen des Luftverkehrs angesichts der ständig steigenden Flugzahlen und des Drangs der Menschheit nach globaler Mobilität.

Fortschrittliche Maßnahmen zur Verringerung der Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima und zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Klimaveränderungen

Förderung: Europäische Union

Laufzeit: 01.09.2023 – 31.05.2025

Team: Dr. Matthias Tesche. Dr. Torsten Seelig

Der Zusammenhang zwischen Luftverkehr und Klima ist sehr eng. Einerseits trägt der Luftverkehr zu Treibhausgasemissionen bei, die die Zusammensetzung der Atmosphäre weltweit verändern und damit den Klimawandel vorantreiben. Andererseits haben atmosphärische Prozesse erhebliche Auswirkungen auf die gesamte Kette des Luftverkehrs: Temperaturschwankungen wirken sich auf die Infrastruktur und die Leistung der Flugzeuge aus, variable Wind- und Niederschlagsmuster führen zu mehr Verspätungen und Flugausfällen usw. In den letzten Jahren haben Forscher große Anstrengungen unternommen, um die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima zu untersuchen und Wege zu finden, diese abzuschwächen. Die Umsetzung dieser Erkenntnisse in die Praxis erfordert eine Weiterentwicklung der Methodik zur Bewertung der Klimaauswirkungen bis hin zur Einführungs- und Umsetzungsphase. Zusätzlich zu diesen Bemühungen sind neue Anpassungsmaßnahmen erforderlich, um den Luftfahrtsektor weniger anfällig für die unvermeidlichen Veränderungen der Klimabedingungen zu machen, die wir bereits erleben, wie z. B. Hitzewellen und andere Wetterphänomene, die sich stark auswirken. Zielsetzungen: Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Instrumentariums zur Verringerung der Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima und zur Stärkung der Widerstandsfähigkeit des Sektors gegenüber dem Klimawandel. Die Idee ist, das Wissen über die Auswirkungen des Luftverkehrs auf das Klima zu erweitern und die Überwachung zu operationalisieren sowie gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit des Luftfahrtsektors gegenüber der Verschärfung von Extremereignissen aufgrund des Klimawandels zu bewerten.

Verbesserung der Leistungsprognose von Photovoltaikanlagen zur Unterstützung der Energiewende und Untersuchungen von Aerosol-Wolken- Wechselwirkungen

Laufzeit: 01.01.2023 – 31.12.2024

Förderung: Europäischen Sozialfonds Plus (ESF Plus)

Team:

• Nachwuchswissenschaftler: Fani Alexandri, Felix Müller, Teresa Vogl, Dr. Jonas Witthuhn
• Ferderführende Leitung: Dr. Matthias Tesche, Jun.-Prof Heike Kalesse-Los
• Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Michael Schäfer, Dr. Andreas Foth, Prof. Dr. Johannes Quaas, Prof. Dr. Manfred Wendisch

Kooperationspartner:

• Dr. Hartwig Deneke (Leibniz-Institut für Troposphärenforschung)

Die bodengebundene und satellitengestützte Fernerkundung der Atmosphäre dient der angewandten Forschung im Bereich von Strahlung, Aerosolen und Wolken sowie deren Wechselwirkung. Sie liefert zudem wichtige Informationen für die Leistungsprognose erneuerbarer Energien. Die Art der Bewölkung moduliert den am Boden ankommenden Betrag der Solarstrahlung und beeinflusst damit die erzeugte Leistung von Photovoltaik (PV).

Anlagen. Situationen mit durchbrochener Bewölkung stellen dabei besondere Herausforderungen dar. Ursachen sind die extrem hohe Variabilität der Solarstrahlung, durch an Wolkenrändern reflektierte Strahlung sowie durch den Einfluss von Aerosolpartikeln in Wolkennähe. Mittels zeitlich hochaufgelöster Solarstrahlungsmessungen mit einem räumlich verteilten Pyranometer-Netzwerk können die Strahlungsvariabilität für verschiedene Situationen und insbesondere durchbrochene Bewölkung charakterisiert werden. Derartige Erkenntnisse sind für die Planung und Dimensionierung von PV-Standorten und Stromnetzen bedeutsam, und liefern zusätzlich wissenschaftlich relevante Einblicke in Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen.

Die zu verwendenden zeitlich und räumlich hochaufgelösten Satellitenbeobachtungen ermöglichen zudem nie dagewesene Arbeiten zum Studium des Verhaltens von Wolkeneigenschaften über den Lebenszyklus einzelner Wolken sowie zum Einfluss von Aerosolpartikeln auf die Eigenschaften der betrachteten Wolken.

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, Sajedeh Marjani, 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.

Partikel in Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen: Schichtung, CCN/INP-Konzentration und Lebenszyklus (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.

Laufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2022
Team: Fani Alexandri, Dr. Peter Bräuer, Goutam Choudhury, Dr. Torsten Seelig, Felix Müller, Dr. Matthias Tesche, Dr. Diego Santiago Villanueva Ortiz, Sabine Doktorowski

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.