Detektion von NAT-PSCs und Klassifizierung nach Teilchengrößen mit Hilfe von Infrarot Limb-Emissionsmessungen

Polare Stratosphärenwolken (PSCs) spielen eine wichtige Rolle beim Ozonabbau in den Polarregionen. Zum einen leisten sie einen Beitrag zur Aktivierung von Chlor aus den Reservoirspezies (z.B. HCl und ClONO₂) und zum anderen verursachen sie eine Denitrifizierung der unteren Stratosphäre. Wegen dem zweiten Punkt sind gerade sogenannte NAT-PSCs von sehr großer Bedeutung, da große NAT-Teilchen stärker sedimentieren und somit effektiv HNO₃ aus oberen Schichten der Atmosphäre nach unten transportieren. Aufgrund der Komplexität der Vorgänge sind Modellrechnungen schwierig und häufig werden Parametrisierungen in den Simulationen verwendet. Um die Prozesse genauer zu verstehen und die Modelle zu verbessern, sind detaillierte Messungen von großer Bedeutung.

Infrarot Limb-Emissionsmessungen sind hervorragend geeignet, um PSCs zu detektieren und die unterschiedlichen Typen (Supercooled Ternary Solution (STS), Nitric Acid Trihydrate (NAT) und Eis) zu unterscheiden. Mit Hilfe vieler Strahlungstransportsimulationen für eine Flugzeuggeometrie konnten wir eine neue, verbesserte Methode entwickeln, die es nun zum ersten Mal erlaubt NAT-PSCs auch in verschiedene Größenklassen einzuteilen. Die Größenklassen sind (unter Annahme sphärischer Teilchen) sNAT (Median-Radius r ≤ 1.0 µm), mNAT (1.0 µm < r < 4.0 µm) und lNAT (r ≥ 3.5 µm). Die Detektion basiert dabei auf der größenabhängigen Änderung einer charakteristischen spektralen Signatur, die durch NAT-Teilchen verursacht wird. Die Signatur ändert sich mit zunehmender Teilchengröße von einem Peak bei 820 cm^-1, über einen verschobenen Peak (zu kleineren Wellenzahlen) hin zu einer stufenförmigen Signatur. Die Änderung wird durch steigende Beiträge der Streuung zur Gesamtextinktion hervorgerufen. Die eigentliche Methodik basiert dann auf einfachen Strahlungsdichteverhältnissen in unterschiedlichen Wellenzahlbereichen.

Analysen von Messdaten des flugzeuggetragenen Instruments CRISTA-NF (CRyogenic Infrared Spectrometers and Telescope for the Atmosphere – New Frontiers) zeigen die einfache, schnelle und gut funktionierende Anwendbarkeit der Methode. So wurden z.B. im Januar 2010 während der RECONCILE Kampagne eindeutig PSCs mit mittelgroßen NAT-Teilchen beobachtet. Die einfache Art der Methodik lässt sich auch sehr gut auf andere Infrarot Limb-Emissionsmessinstrumente wie z.B. das Satelliteninstrument MIPAS-Env übertragen.