Effekte von Aerosol und Dynamik auf die Eigenschaften ozeanischer Wolken im Nordwestatlantik

Abstract

Wolken beeinflussen durch ihre Strahlungswirkung den Energiehaushalt der Erde. Sie wirken in Abhängigkeit ihrer mikrophysikalischen Eigenschaften sowohl wärmend als auch kühlend. Insbesondere tiefe Wolken haben eine stark kühlende Wirkung über dem Ozean und bedecken dort mehr als 45 % der Meeresoberfläche. Diese Arbeit untersucht die mikrophysikalischen Eigenschaften tiefer ozeanischer Grenzschichtwolken über dem Nordwestatlantik, inwieweit die Eisphase in Mischphasenwolken diese Eigenschaften gegenüber Flüssigwolken verändert und die Effekte von Dynamik und Aerosol auf die Wolkenbildung. Zu diesem Zweck fand im Zeitraum zwischen 2020 und 2022 die NASA-Flugzeugmission ACTIVATE (Aerosol Cloud meTeorology Interactions oVer the western ATlantic Experiment) mit 174 in-situ Messflügen des Forschungsflugzeugs Falcon HU-25 statt. Auf Grundlage einer eingehenden Charakterisierung der Messinstrumente FCDP (Fast Cloud Droplet Probe) und 2D-S (Two Dimensional Stereo) wurde ein qualitätsgesicherter 1 Hz in-situ Wolkendatensatz von 574 Messstunden erstellt, um die mikrophysikalischen Prozesse und die Phase der tiefen ozeanischen Grenzschichtwolken gezielt zu analysieren. Die gemessenen Mischphasenwolken zeigen im Vergleich zu Flüssigwolken um ein bis zwei Größenordnungen höhere Konzentrationen an Wolkenpartikeln mit Durchmessern >100 µm, welche die Bildung von Niederschlag begünstigen. Auch die totale Wolkenteilchenkonzentration der untersuchten Mischphasenwolken im Nordwestatlantik ist im Vergleich zu Flüssigwolken erhöht. Dies deutet auf sekundäre Eisbildung oder Unterschiede im Vorkommen von Eisnukleationskernen und Aufwindgeschwindigkeiten hin. Die saisonale Analyse der Wolken-, Aerosol- und Windmessungen nahe der Wolkenunterkante zeigt, dass dynamische Effekte mit bis zu doppelt so großen Aufwindgeschwindigkeiten im Winter die Wolkenbildung im Nordwestatlantik dominieren, obwohl die Teilchenkonzentration der verfügbaren Wolkenkondensationskerne geringer als im Sommer ist. Bei hohen Konzentrationen an Wolkenkondensationskernen ist durchweg eine hohe Suszeptibilität von Aufwindgeschwindigkeiten auf Wolkentropfenkonzentrationen zu beobachten. Für niedrigere Konzentrationen an Wolkenkondensationskernen nimmt die Suszeptibilität mit zunehmenden Aufwindgeschwindigkeiten ab. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, Niederschlagsbildung und Prozesse in Mischphasenwolken und die Parametrisierung der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung in Klimamodellen besser zu verstehen.