Development of a Calibration Setup for Cloud Spectrometers and In-Situ Measurements of Low Level Clouds in West Africa

Kurzfassung

Westafrika ist eine Region mit großen sozioökonomischen Herausforderungen. Bevölkerungswachstum, Urbanisierung und Wirtschaftswachstum in dieser Region gehen einher mit einem Anstieg der anthropogenen Emissionen durch Hausbrand, Industrie und Biomasseverbrennung. Ihr Einfluss auf die atmosphärische Zusammensetzung und die Wolken in dieser Region wurde im Rahmen der Dynamics-Aerosol-Chemistry-Cloud Interactions in West Africa, kurz DACCIWA, -Kampagne im Juni und Juli 2016 untersucht. Diese Studie konzentriert sich auf Daten des Cloud and Aerosol Spektrometer CAS, einer Flügelsonde, mit der an Bord des DLR Forschungsflugzeugs Falcon 20 mikrophysikalische Eigenschaften von tiefliegenden Wolken gemessen wurden, um diese zu charakterisieren und hinsichtlich Aerosoleffekten zu untersuchen. Darüber hinaus wurde in dieser Masterarbeit ein Kalibrationsstand zur Partikelgrößenkalibrierung der CAS entwickelt und aufgebaut; außerdem soll damit der sensitive Bereich, die Sampling Area, der CAS vermessen werden. Zu diesem Zweck erzeugt ein Piezo-Tropfer mit 10 (oder 30) mikrometer Öffnungsgröße einen Strom monodisperser Tröpfchen. Durch die Abstimmung des Steuerspannungssignals erzeugt der Piezo-Tropfer sieben verschiedene Tropfengrößen zwischen 16,6 und 44 mikrometer. Eine CCD-Kamera mit Mikroskopvergrößerung dient zur unabhängigen Partikelgrößenerkennung, die mit OpenCV automatisiert ist. Eine elektronisch gesteuerte und angetriebene 3-Achsen-Mikrometer-Linearverschiebung ermöglicht eine Positionierung des Piezo-Tropfers entlang des Laserstrahls zu verschieben. In Visual Studio 2015 und Python wurde ein Softwarepaket entwickelt, das automatisierte Kalibrationen ermöglicht. Tropfengröße, Anzahl, Frequenz, Schrittbreite und Form des Kalibrationsprofils können über eine grafische Benutzeroberfläche eingestellt werden, um eine vollautomatische Abtastung der Sampling Area mit einer kleinsten Schrittweiten von 500 nm zu ermöglichen. Der komplette Kalibrationsaufbau wurde getestet und in dieser Arbeit charakterisiert. Die Kalibration des CAS-Instruments ergab einen Sampling Area Größe von 0,22 ± 0,04 mm². Die CAS-Kalibrierung wurde zur Auswertung der Wolkendaten aus dem DACCIWAProjekt verwendet. Erhöhte Konzentrationen von CO und Akkumulations-ModeAerosolen wurden mit Instrumenten an Bord der Falcon unterhalb der Grenzschicht und der unteren Troposphäre im Abwindbereich von Lome (Togo) gemessen. Neben Messungen vor den Küsten von Togo und Benin zeigt sich auch ein anthropogener Beitrag zu den CO- und Aerosolemissionen im kontinentalen Binnenland, bestehend aus dicht besiedelten ländlichen Gebieten im Hinterland. Diese Emissionen beeinflussen die mikrophysikalischen Eigenschaften von niedrigen Wolken. Erste in-situ Messungen in dieser Region zeigen eine Zunahme der Konzentration der Wolkentropfenanzahl und eine Abnahme des effektiven Durchmessers der Wolkentropfen in der verschmutzten Abwindfahne und im städtischen Ausflussbereich. Der Aerosoleffekt auf Wolken wird teilweise durch einen Zusammenspiel zwischen Wassersättigung an der Wolkenbasis, Kondensationskernen, Vertikaltransport und Wolkentropfenanzahl verdeckt. Zuletztiii genannte Effekte allein können jedoch nicht den beobachteten Anstieg der Tropfenanzahl-Konzentrationen in verunreinigten Wolken in Westafrika erklären. Der neue Aerosol- und Wolken-Datensatz, der während der DACCIWA-Kampagne gesammelt wurde, kann in Zukunft zur Validierung von Wolken-, Wettervorhersage- und Klimamodellen in der westafrikanischen Region verwendet werden.