DACH-13

Obwohl noch viele spannende Fragen offen sind, hat die Erforschung der Klimageschichte der Erde in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht. Diese bemerkenswerten Erfolge beruhen zum einen auf der Erschließung neuer Klimaarchive sowie auf der Entwicklung innovativer Methoden zu deren Auswertung, zum anderen aber auch auf einem verstärkten Interesse, das Klima vergangener Zeiten mit Hilfe verbesserter numerischer Modelle zu untersuchen. In meinem Überblicksvortrag stelle ich eine Reihe von aktuellen Forschungsergebnissen vor, die zeigen, wie die Anwendung von Klima- und Erdsystemmodellen zu neuen Erkenntnissen über Ursache und Wirkung vergangener Klimaänderungen sowie über die Dynamik von warmen und kalten Paläoklimazuständen führen kann. Ein prominentes Beispiel sind unsere Forschungsarbeiten zur Klimawirkung des Meteoriteneinschlags vor 66 Millionen Jahren, der unter anderem mit dem Aussterben der Dinosaurier in Verbindung gebracht wird. Unsere Untersuchungen zeigen, dass stratosphärische Sulfat-Aerosole aus dem Einschlag zu einer lang anhaltenden Abkühlung geführt haben. Diese Abkühlung verursachte aber auch eine ausgeprägten Durchmischung der Ozeane. Die dabei an die Oberfläche gebrachten Nährstoffe – kombiniert mit Eisen aus dem Meteoritenstaub – resultierten in einer starken Düngung der marinen Biosphäre und damit in einer globalen Algenblüte nach dem Ende der Verdunkelung. Dieser neu entdeckte Effekt könnte zum Aussterben höherer Lebensformen in den Ozeanen beigetragen haben.

How to cite: Feulner, G.: Paläoklima-Anwendungen von Klimamodellen: neue Erkenntnisse zum Meteoriteneinschlag vor 66 Millionen Jahren, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-13, https://doi.org/10.5194/dach2022-13, 2022.

Systematische wissenschaftliche Untersuchungen über das Klima der Erde begannen am Anfang des 19. Jahrhunderts. Der erste, der in den 1820er Jahren die These aufstellte, dass die Atmosphäre wie eine Decke wirkt und die Erdoberfläche wärmer hält, als sie sein sollte, war Joseph Fourier. Er beschrieb, was wir heute als Treibhauseffekt bezeichnen. Eine experimentelle Untersuchung der Strahlungsabsorption von CO₂ wurde erstmals von Eunice Foote im Jahr 1856 durchgeführt. Drei Jahre später zeigte John Tyndall die Absorption infraroter Strahlung durch CO₂ und Wasserdampf. 1896 berechnete Svante Arrhenius die Auswirkung einer Verdoppelung des CO₂ auf die Lufttemperatur an der Oberfläche auf 5-6°C. In seinen Berechnungen von 1931 reduzierte Hurlburt diesen Anstieg auf 4 °C.

Das erste umfassende Strahlungs-Konvektions-Modell für die Atmosphäre wurde 1967 von Manabe und Wetherald vorgestellt. Sie zeigten, dass eine Erhöhung des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre zu einer Erwärmung in der Troposphäre und einer Abkühlung in der Stratosphäre führt, wie die Beobachtungen zeigen. Manabe war die treibende Kraft bei der Entwicklung umfassender Modelle des Klimas und der Erdsysteme in den kommenden Jahrzehnten. Für seine Beiträge zum Verständnis des Klimasystems, insbesondere der Rolle von CO₂, wurde er 2021 mit einem Viertel des Nobelpreises für Physik ausgezeichnet.

Lange Zeit war nicht klar, wie man das Signal des steigenden atmosphärischen CO₂ in den Temperaturaufzeichnungen in den verrauschten Daten von Wetter- und Klimaschwankungen finden kann. Im Jahr 1976 schlug Hasselmann vor, dass Änderungen der langsamen Klimavariablen durch das weiße Rauschen des atmosphärischen Wetters verursacht werden. In den 1990er Jahren entwickelte er auch Methoden, um die "Fingerabdrücke" menschlicher Einflüsse auf die Klimavariabilität zu finden. Diese Methoden wurden intensiv auf die jüngsten Klimaintegrationen angewandt, die verschiedene Zukünfte des Klimas der Erde beschreiben. Auf der Grundlage dieser Anwendungen können wir nun feststellen, dass sich die Erde erwärmt - und wir daran schuld sind. Für seine Beiträge zum Verständnis der stochastischen Natur des Klimasystems und des menschlichen Fingerabdrucks auf die Klimaerwärmung wurde Klaus Hasselmann ein Viertel des Nobelpreises für Physik 2021 verliehen.

How to cite: Lemke, P.: Und sie erwärmt sich doch! – Anmerkungen zur Klimaforschung: Von den ersten Schritten bis zum Nobelpreis für Physik, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-267, https://doi.org/10.5194/dach2022-267, 2022.

The changing sea ice cover of polar seas is of key importance for the exchange of heat and moisture between atmosphere and ocean and hence for weather and climate, and in addition, the sea ice and its long-term changes are  an indicator for global change.  In order to properly understand and model the evolution of the sea ice cover and its interaction with the global climate system, we need detailed knowledge about sea ice, i.e., not only its extent, but also, e.g., its thickness and its type.

We can broadly distinguish a few different sea ice types that have different dynamic and thermodynamic properties, namely: young ice (YI, thin/smooth new ice), first-year ice (FYI, formed during one cold season), and multiyear ice (MYI, which has survived at least one melt season). The  latter is of particular interest as it is usually thicker than other ice types (thus, takes more time to melt), much less saline, and may accommodate a unique ecosystem. Sea ice types in the Antarctic, until recently, have not been monitored much because of the lack of appropriate remote  sensing methods. While the Antarctic sea ice is greatly dominated by FYI, there are, nevertheless, considerable amounts of MYI, in particular in the Weddell Sea.

We have recently adapted an algorithm for the detection of Arctic sea ice types for application in the Antarctic. The algorithm uses data from space-borne microwave radiometers and scatterometers as input. So far we have compiled a time series of daily Antarctic MYI data (and also an estimate of YI and FYI) data at a spatial resolution of 12.5 km, starting in 2013, but excluding the melt seasons when the algorithm does not work. Here give an overview of the data, showing, e.g., the quite large interannual variability of MYI and its evolution in the Weddell Sea, and discuss shortcomings of the algorithm and possible ways forward. The time series of daily Antarctic MYI data can in principle be extended backwards to the year 2000, when the used satellite data first became available, and with planned future satellite missions, it can be continued for years to come.

How to cite: Melsheimer, C. and Spreen, G.: Remote sensing of multiyear ice in the Antarctic, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-284, https://doi.org/10.5194/dach2022-284, 2022.

Klimamodelle simulieren klare Erwärmungsmuster als Folge des verstärkten Treibhauseffekts, der durch die Verbrennung fossiler Energie entsteht.  Sie liefern aber keine einfache Erklärung mit, was die grundlegenden Mechanismen sind, die diese verursachen.  Hier zeige ich mithilfe von einer einfachen, aber physikalisch basierten Formulierung der Energiebilanz der Erdoberfläche auf, dass Änderungen des Treibhauseffekts zu grundlegend anderen Erwärmungsmustern führen als Änderungen der Solarstrahlung.  So kann man mithilfe der Energiebilanz aufzeigen, dass Änderungen des Treibhauseffekts sich insbesondere dann bemerkbar machen, wenn die Solarstrahlung wenig zur Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt.  Dies führt zu einer verstärkten Erwärmung in der Nacht über Land sowie in den hohen Breiten im Winter.  Mithilfe von Satellitendatensätzen von Strahlungsflüssen des gegenwärtigen Klimazustands (NASA-CERES) kann man diese unterschiedlichen Sensitivitäten bestimmen und zeigen, dass diese mit denen von Kllimamodellsimulationen sehr gut übereinstimmen.  Die grundlegenden Muster des Klimawandels lassen sich somit auch einfach und physikalisch verstehen und berechnen, und man ist dafür nicht auf komplexe Klimamodelle angewiesen.                                                                                

How to cite: Kleidon, A.: Sonne oder Treibhaus? Globale Erwärmung einfach und physikalisch nachgerechnet, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-185, https://doi.org/10.5194/dach2022-185, 2022.

Um sowohl nationale als auch internationale Klimaschutzziele einhalten zu können und den globalen Temperaturanstieg zu begrenzen, sind massive Reduktionen des CO₂-Ausstoßes notwendig. Da die bisherigen Maßnahmen zur Emissionsreduktion weltweit nicht ausreichend sind, ist es wahrscheinlich, dass Wege gefunden werden müssen, mehr Treibhausgase zu binden, als ausgestoßen werden.

Wir führen eine, dem Stand der Technik entsprechende, robuste und vergleichende Bewertung der Potenziale der gängigsten Methoden landgebundener Kohlenstoffdioxidabscheidung (CDR_L) und ihrer Auswirkungen auf das Erdsystem unter der Annahme sozio-ökologischer Randbedingungen durch. Unter Verwendung von drei dynamischen globalen Vegetationsmodellen (DGVMs) mit hoher Prozessgenauigkeit vergleichen wir Aufforstung, Waldbewirtschaftung und Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. Dies erlaubt es das CDR_L-Potenzial mit hohem ökologischen Realismus zu untersuchen (z.B. Auswirkung von Wetterextremen). Ferner sollen somit die möglichen Vorteile und Nachteile von CDR_L bezüglich anderer Ziele der nachhaltigen Entwicklung (u.A. Treibhausgaseffekte, Nahrungsmittel, Wasser, Biodiversität und biogeophysikalische Klimaauswirkungen) einander gegenüber gestellt werden. Da gesellschaftliche Zwänge wichtige Hindernisse für die Umsetzung von CDR_L darstellen können, werden auch sozio-ökonomische Gesichtspunkte, basierend auf sozio-ökonomischen Pfaden und agentenbasierten Modellen, für die Landnutzungsentscheidungen Eingang finden. Hierfür werden die globalen Szenarien des IPCC auf deutsche Verhältnisse (eingebettet in europäische Ziele) angepasst und auch ethische Aspekte in enger Zusammenarbeit mit Interessenvertretern weiterentwickelt.
Diese umfassende und interdisziplinäre Untersuchung von CDR_L Methoden wird eine fundierte Entscheidungsfindung ermöglichen.

How to cite: Falk, S. and the STEPSEC-Team: Potenzial terrestrischer Kohlenstoffdioxidabscheidung (CDR) unter sozio-ökologischen Einschränkungen (STEPSEC), DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-56, https://doi.org/10.5194/dach2022-56, 2022.

Methane (CH₄) is the second most important anthropogenic greenhouse gas (GHG) with respect to radiative forcing. Since pre-industrial times, the globally averaged CH₄ concentration in the atmosphere has risen by a factor of 2.5. A large fraction of global anthropogenic CH₄ emissions originates from localized point sources, e.g. coal mine ventilation shafts. International treaties foresee GHG emission reductions, entailing independent monitoring and verification support capacities. Considering the spatially widespread distribution of point sources, remote sensing approaches are favourable, in order to enable rapid survey of larger areas. In this respect, active remote sensing by airborne lidar is promising, such as provided by the integrated-path differential-absorption lidar CHARM-F operated by DLR. Installed onboard the German research aircraft HALO, CHARM-F serves as a demonstrator for future satellite missions, e.g. MERLIN. CHARM-F simultaneously measures weighted vertical column mixing ratios of CO₂ and CH₄ below the aircraft. In spring 2018, during the CoMet field campaign, measurements were taken in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) in Poland. The USCB is considered to be a European hotspot of CH₄ emissions, covering an area of approximately 50 km × 50 km. Due to the high number of coal mines and density of ventilation shafts in the USCB, individual CH₄ exhaust plumes can overlap. This makes simple approaches to determine the emission rates of single shafts, i.e. the cross-sectional flux method, difficult. Therefore, we use an inverse modelling approach to obtain an estimate of the individual emission rates. Specifically, we employ the Weather Research and Forecast Model (WRF) coupled to the CarbonTracker Data Assimilation Shell (CTDAS), an Ensemble Kalman Filter. CTDAS-WRF propagates an ensemble realization of the a priori CH₄ emissions forward in space and time, samples the simulated CH₄ concentrations along the measurement’s flight path, and scales the a priori emission rates to optimally fit the measured values, while remaining tied to the prior. Hereby, we obtain a regularized a posteriori best emission estimate for the individual ventilation shafts. Here, we report on the results of this inverse modelling approach, including individual and aggregated emission estimates, their uncertainties, and to which extent the data are able to constrain individual emitters independently.

How to cite: Wolff, S., Reum, F., Kiemle, C., Ehret, G., Quatrevalet, M., Wirth, M., and Fix, A.: Estimating local CH4 emissions in the Upper Silesian Coal Basin using inverse modelling, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-79, https://doi.org/10.5194/dach2022-79, 2022.

Im August/September 2018 fand die Messkampagne CAFE-Africa (Chemistry of the Atmosphere – Field Experiment in Africa) mit dem Forschungsflugzeug HALO statt. Stützpunkt des Flugzeugs war die kapverdische Insel Sal. Basierend auf CAMS-Vorhersagen wurden von dort aus Messflüge in ausgewählte Gebiete über dem Atlantik und über den Westen Afrikas durchgeführt. Ziel der Kampagne war die Untersuchung des Einflusses der Emissionen von Biomasseverbrennung auf die regionale und globale Atmosphäre mit einem Fokus auf die Biomasseverbrennung in Afrika. Mit dem Luftprobensammler MIRAH (Measurements of Isotope Ratios in the Atmosphere on HALO) wurden Gesamtluftproben gesammelt, die anschließend im Labor auf die Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope in ausgewählten flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) sowie auf deren Mischungsverhältnisse untersucht wurden. Die Isotopenverhältnisse bieten zusammen mit CAMS Re-Analysen, Rückwärtstrajektorien, Satellitendaten und weiteren Stützmessungen die Möglichkeit, die Herkunft, Transportzeiten und die Umsetzung von VOC zu bestimmen. Wir zeigen als Fallstudie die Ergebnisse des 10. Messfluges, bei dem über dem Atlantik nordwestlich der Kapverden zwei deutlich unterscheidbare Luftmassen aufeinandertrafen. Während eine Luftmasse von Emissionen aus dem nördlichen Afrika geprägt war und mit dem westafrikanischen Monsoon-System auf den Atlantik transportiert wurde, konnte die andere Luftmasse eindeutig Biomasseverbrennung im Norden des amerikanischen Kontinents zugeordnet werden. Der Vergleich der genannten Datensätze gibt einen guten Überblick über den globalen Transport von Spurenstoffen, auch wenn nicht alle Details konsistent zu sein scheinen.

How to cite: Koppmann, R., Krebsbach, M., and Voet, F.: Untersuchung des Einflusses von Biomasseverbrennung auf die Atmosphäre mit Hilfe der Verhältnisse stabiler Kohlenstoffisotope in VOC, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-24, https://doi.org/10.5194/dach2022-24, 2022.

Luftverschmutzung durch Stickoxide ist in industrialisierten Gebieten ein wichtiges Problem da sie direkte negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben und indirekt an der Entstehung weiterer Luftschadstoffe wie Ozon und Partikeln beteiligt sind. Während die Emission von Stickoxiden meist in der Form von NO erfolgt, bildet sich in der Atmosphäre rasch ein Gleichgewicht zwischen NO₂ und NO. Stickstoffdioxid (NO₂) kann aufgrund seines strukturierten Absorptionsspektrums in der Atmosphäre mit spektroskopischen Methoden nachgewiesen und quantifiziert werden. Dies ist insbesondere auch von Satelliteninstrumenten wie GOME, SCIAMACHY, OMI und TROPOMI möglich, wodurch globale Karten der NO₂-Verschmutzung erstellt werden können.

Ein Nachteil bisheriger Satellitenmessungen ist die geringe zeitliche Auflösung von meist nur einer Messung pro Tag. Dies lässt sich durch den Einsatz von geostationären Satelliten verbessern, die für ein begrenztes Gebiet mehrere Messungen pro Tag erlauben. Solche Messungen sollen in Zukunft über Europa mit dem Sentinel-4-Instrument erfolgen und über Nordamerika mit dem TEMPO-Instrument. Über Asien sind solche Messungen vom Koreanischen Satelliten GEMS bereits verfügbar und erlauben einen ersten Einblick in das Potential geostationärer NO₂-Messungen.

In diesem Beitrag wird das am IUP-Bremen entwickelte NO₂-Produkt für GEMS vorgestellt, die Genauigkeit der abgeleiteten Säulen untersucht und die aus den schon verfügbaren Daten bestimmte räumliche und zeitliche Variabilität diskutiert. Neben den Ergebnissen über Asien wird auch ein Ausblick auf die zu erwartenden Sentinel-4 Messungen über Europa gegeben.

How to cite: Richter, A., Lange, K., Latsch, M., Behrens, L., Bovensmann, H., and Burrows, J. P.: Beobachung des troposphärischen NO2 Tagesgangs über Asien mit dem GEMS Satelliteninstrument, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-87, https://doi.org/10.5194/dach2022-87, 2022.

Volcanic plumes contain traces of bromine monoxide, BrO, which catalyze destruction of ozone, O₃, mixed into the plume. Therefore, local depletion of O₃ in the plume could be possible. However, calculations comparing mixing with the rate of O₃ destruction suggest that no significant decline in the O₃ concentration should be expected. On the other hand several studies at different volcanoes have found varying degrees of O₃ depletion inside the plume. So far, ozone and its concentration distribution in volcanic plumes have only been insufficiently determined. Reliable ozone measurements would make a decisive contribution to the understanding of volcanic plume chemistry.

The standard technique for ambient O₃ monitoring is the short-path ultraviolet (UV) absorption instrument. But in volcanic plumes this technique suffers from strong interference of the overlapping SO₂ absorption features in the UV. SO₂ is one of the major compounds in volcanic plumes.

We want to overcome this problem by relying on the chemiluminescence (CL) reaction between ozone and ethene, a standard technique for O₃ measurement in the 1970s and 1980s, which we found to have no interference from trace gases abundant in volcanic plumes. The key component of a CL O₃-instrument is a reaction chamber, where ethene is mixed into the ambient air and a photomultiplier tube detects the resulting photons.

Field measurements with existing CL O₃-monitors are complicated, because they are usually heavy and bulky. Therefore we designed a more compact and lightweight version (10 kg backpack size CL instrument), which was used in a field study at Mount Etna. However, the campaign was restricted to plumes that are pushed down to ground in areas accessible by foot.

Here we report on a further improved version of the instrument weighing around 1 kg, which we can mount onto a drone to carry it into the plume. In particular, we describe the design advances making the reduction in weight and size possible.

How to cite: Bräutigam, E., Bobrowski, N., Kuhn, J., Rüth, M., Fuchs, C., and Platt, U.: Construction of an airborne chemiluminescence ozone monitor for volcanic plumes, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-80, https://doi.org/10.5194/dach2022-80, 2022.

Volcanic gases and the chemical reactions inside volcanic emission plumes are of great interest because of their impact on atmospheric processes and climate. The evolution of many volcanic gas compounds is most likely strongly dependent on the general physical conditions during the emission processes. Particularly, the knowledge about the temperature of the lava, i.e. the origin of the gases, is crucial.

Commercially available thermal cameras for the relevant temperature range (ca. 600-1200 °C) are still rather expensive, bulky, and have a limited spatial resolution.

We present an approach to use a compact (‘point and shoot’) consumer digital camera with a silicon based detector as a thermometer to record the spatial temperature distribution and variations of volcanic lava. Silicon detectors are commonly sensitive in the near infrared wavelength range (until ca. 1100 nm), which readily allows measurements of temperatures above ca. 500 °C. The camera is modified to block the visible spectrum and the remaining colour filter (Bayer filter) characteristics are used to infer the temperature from differential intensity measurements.

In the frame of this work, we performed a sensitivity study and calibrated the camera with a heated wire in the range of 600-1100 °C. Besides the advantages of superior mobility and simple handling, the 16 megapixel spatial resolution of the temperature measurement allows resolving detailed temperature distributions in highly dynamic volcanic emission processes.

How to cite: Marks, J., Kuhn, J., Fuchs, C., Bobrowski, N., and Platt, U.: A Low Cost Silicon Based Thermal Camera for Volcanic Applications, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-122, https://doi.org/10.5194/dach2022-122, 2022.

In natürlichen Gewässern werden Edelgaskonzentrationen häufig zur Bestimmung der Umgebungstemperaturen beim letzten intensiven Kontakt zur Atmosphäre (Äquilibration) verwendet. Dieses Verfahren nennt sich Edelgasthermometrie und wird unter anderem genutzt, um Grundwasserbildungstemperaturen und historische Temperaturschwankungen quantitativ zu bestimmen. Da bisher nur übliche Bildungstemperaturen von unter 35°C bekannt sind, hat man sich mit Löslichkeiten bis zu dieser Temperatur begnügt. Es gibt jedoch verschiedene Prozesse, wie etwa vulkanische Aktivität, die hohe Wassertemperaturen erzeugen können. Wir haben daher die Löslichkeiten von Edelgasen bei höheren Temperaturen bestimmt und diese mit Daten aus der Literatur kombiniert, um neue Löslichkeitsfunktionen zu generieren die den gesamten Bereich von 0 bis 80°C abdecken. Wir verwenden diese Funktionen, um publizierte Messungen der Edelgaskonzentrationen im Tiefenwasser des Kivusees zu analysieren, die ungewöhnlich niedrig sind. Der Kivusee liegt am Rande des Nyiragongo-Vulkans und speichert große Mengen an Kohlendioxid und Methan, die bei einer Ausgasung für die umliegende Bevölkerung tödlich wären. Vor allem jetzt, wo die industrielle Ausbeutung der Gaslagerstätte in die Schichtung des Sees eingreift ist es wichtig, die Dynamiken des Sees zu verstehen und nachzuvollziehen, woher das Defizit an Edelgasen stammt. Wir nutzen Edelgaskonzentrationen, -verhältnisse und kleinste-Quadrate-Approximation mit Excess-air, um Bildungstemperaturen abzuleiten. Am besten lassen sich die niedrigen Edelgaskonzentrationen mit einer atmosphärischen Äquilibrierung des Tiefenwassers bei ca. 60°C erklären, wobei dann nur ein minimales Defizit an Edelgasen übrig bleibt. Damit liefern die Edelgasdefizite KEINEN Hinweis auf eine frühere Entgasung des Sees. 

How to cite: Schwenk, C., Negele, S., Freundt, F., Aeschbach, W., and Boehrer, B.: Edelgasthermometrie im Tiefenwasser des Kivusees mit Löslichkeiten von Edelgasen bei höheren Temperaturen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-52, https://doi.org/10.5194/dach2022-52, 2022.

Der größte Teil des Niederschlags in mittleren und hohen Breiten wird durch den Wegener- Bergeron- Findeisen Prozess über die Eisphase initiiert. Es ist seit langem bekannt, dass die Anzahl der für die heterogene Eisbildung in Wolken zur Verfügung stehenden heterogenen Eiskeime oft viele Größenordnungen unter den in Mischphasenwolken beobachteten Eiskonzentrationen liegt. Hierfür werden Sekundäreis- Prozesse verantwortlich gemacht, die unter Anwesenheit von primärem Eis zur Produktion weiterer Eisteilchen führen. Der wohl bekannteste Prozess dieser Art ist der Hallet-Mossop Prozess, das Absplittern von Eis bei der Bereifung von Graupeleis. Darüber hinaus werden weitere Prozesse in der Literatur diskutiert, die in jeweils verschiedenen Temperaturbereichen aktiv sein können. Eine quantitative Beschreibung dieser Prozesse die für eine physikalisch basierte Berücksichtigung in Wolkenmodellen nötig wäre, steht jedoch bislang aus. Wir berichten hier über Laborexperimente zum Gefrieren von Niesel- Tröpfchen. Dabei kann Sekundäreis durch das Zerplatzen der Tröpfchen, durch das Auftreten von Sprüngen in der sich bildenden Eisschale und durch das Platzen von Bläschen an der Tropfenoberfläche entstehen. Wir bilden diese Prozesse durch Hochgeschwindigkeits- Video und Thermographie- Aufnahmen ab und quantifizieren diese Sekundäreis-Prozesse in Abhängigkeit von Temperatur und Tröpfchengröße. Weiterhin stellen wir eine Methode zur berührungsfreien Messung des Drucks in gefrierenden Tröpfchen vor und zeigen, dass beim Gefrieren der Niesel-Tröpfchen Drücke von bis zu 150 bar auftreten können. Unter Berücksichtigung des duktil- spröde Überganges der Belastungskurven von Eis bei steigender Belastungsrate können die Beobachtungen erklärt werden.

How to cite: Leisner, T., Keinert, A., Kleinheins, J., and Kiselev, A.: Sekundäreisprozesse in Mischphasenwolken: Einsichten aus Laborexperimenten, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-14, https://doi.org/10.5194/dach2022-14, 2022.

Die weit verbreiteten pflanzpathogenen Bakterien der Gattung „Pseudomonas Syringae“ zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Man findet sie nicht nur in landwirtschaftlichen Regionen und auf den Pflanzenblättern, sondern auch in dem frischen Schnee und Regenproben weit weg von den ursprünglichen Ökosystemen. Sie überleben nicht nur das Transport über die mehrere hundert Kilometer, sondern sind auch in der Lage sich in der Wolkentropfen zu vermehren. Mit Hilfe der eisaktiven Proteine, die auf der Außenseite der Zellmembran verankert sind, initiieren Bakterien das Gefrieren der unterkühlten Wolkentropfen, die dann durch Wasserdiffusion anwachsen und als Niederschlag zurück auf die Erdoberfläche wiederkehren.

Wie überleben die Bakterien das Gefrieren der Wolkentropfen? Unter welchen Bedingungen sind die Überlebenschancen am höchsten, und welche Faktoren spielen die wichtigste Rolle? Wir gehen auf diese Fragen ein indem wir mikroskopische Wassertropfen mit P. Syringae in einer elektrodynamischen Falle unter realistischen Bedingungen zum Gefrieren bringen, und dabei das Geschehen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachten. Die Tropfen werden anschließend aus der Falle herausgeholt und die Anzahl der überlebenden Bakterien über Koloniezählung ermittelt. Wir stellen dabei fest, dass die Bakterien besonders dann gute Überlebenschancen haben, wenn das Gefrieren der Tropfen viel Zeit in Anspruch nimmt und die Bakterien in der Lage sind, sich an die neuen Bedingungen anzupassen. Die Bakterien wirken dem schnellen Gefrieren entgegen, indem sie die Eisnukleation schon bei niedrigen Unterkühlungen initiieren. Die Permeabilität der Zellmembran für Wasser spielt dabei die entscheidende Rolle. 

How to cite: Kiselev, A. A., Wieber, C., Rabe, K., Zoheir, A., and Leisner, T.: Die kleinen Regenmacher: wie Bakterien mit Wolkentropfen reisen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-174, https://doi.org/10.5194/dach2022-174, 2022.

The impact of atmospheric aerosol on the climate remains poorly understood. Organic aerosol makes up a significant fraction of total aerosol and is prevalent throughout the atmosphere. It can exist as a liquid, semi-solid or amorphous solid. The viscosity of organic aerosol will have an impact on transformations that organic aerosol will undergo during its lifetime such as evaporation and growth, heterogeneous and photochemical reactions as well as the ability to act as an ice nucleating particle.  Therefore, it is of key importance to be able to determine aerosol viscosity over a range of atmospherically relevant conditions in order to better understand the impact of organic aerosol on the climate.

Here we report proof of concept viscosity measurements of water droplets levitated in an electrodynamic balance over a range of temperatures. Charged droplets are levitated in a temperature and relative humidity-controlled environment allowing properties over a temperature range of 300 to 220 K to be studied. As the droplets evaporate they reach a point where Coulomb instabilities are induced resulting in droplet oscillations. The relaxation of these oscillations can then be probed to determine the droplet viscosity. Future work will involve determination of the viscosity of different types of organic aerosol over a broad temperature range.

How to cite: Jones, S., Singh, M., Duft, D., Kiselev, A., and Leisner, T.: Determination of the viscosity of levitated droplets at atmospheric temperatures in an electrodynamic trap, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-152, https://doi.org/10.5194/dach2022-152, 2022.

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.

How to cite: Kalicinsky, C., Grießbach, S., and Spang, R.: Detektion von NAT-PSCs und Klassifizierung nach Teilchengrößen mit Hilfe von Infrarot Limb-Emissionsmessungen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-291, https://doi.org/10.5194/dach2022-291, 2022.

Die Möglichkeit, quantitative Information über die stratosphärische Aerosolbefrachtung – insbesondere in Zeiträumen vulkanisch verstärkter Aerosole – aus den Farbverhältnissen historischer Gemälde abzuleiten, erscheint auf den ersten Blick sehr vielversprechend. Tatsächlich wurde dieser Ansatz in einigen Studien verwendet, um die optische Dichte stratosphärischer Aerosole nach stärkeren Vulkanausbrüchen über einen Zeitraum von ca. 500 Jahren zu bestimmen. In diesem Vortrag evaluieren wir die Verlässlichkeit dieses Ansatzes mit Hilfe von Simulationen mit dem Strahlungstransfermodell SCIATRAN und schätzen die Fehler der abgeleiteten optischen Dichten basierend auf plausiblen Unsicherheiten relevanter Parameter ab. Wir zeigen, dass die Unsicherheiten in einigen wichtigen Parametern – die für historische Eruptionen typischerweise nur unzureichend bekannt sind – zu ähnlichen Veränderungen in den Rot-Grün-Farbverhältnissen führen können wie massive Vulkanausbrüche (z.B. des Tambora 1815 oder des Krakatao 1883). Von den untersuchten Effekten hat die angenommene Größenverteilung der stratosphärischen Aerosole den größten Einfluss auf die Farbverhältnisse und damit die abgeleiteten optischen Dichten. Für Sonnenzenitwinkel (SZA von engl. Solar Zenith Angle) von mehr als 80 Grad kann auch die angenommene stratosphärische Ozonmenge die abgeleiteten optischen Dichten signifikant beeinflussen. Für SZA größer als 90 Grad weisen die horizontnahen Farbverhältnisse eine dramatische Abhängigkeit vom SZA auf, so dass für diese Fälle eine Bestimmung optischer Dichten praktisch unmöglich ist. Abschließend gehen wir auf die Frage ein, wie stark die langfristige Veränderung der Farben eines Gemäldes die optischen Dichten beeinflussen kann.

How to cite: von Savigny, C., Lange, A., Hoffmann, C., and Rozanov, A.: Bestimmung optischer Dichten stratosphärischer Aerosole aus den Farbverhältnissen historischer Gemälde – kann das funktionieren?, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-18, https://doi.org/10.5194/dach2022-18, 2022.

Die Madden-Julian-Oszillation (MJO) ist die dominierende Komponente intrasaisonaler Variabilität in der tropischen Troposphäre. Sie tritt durch ein periodisch auftretendes Zentrum anormal starker Konvektion in Erscheinung, das vom indischen Ozean ostwärts über den maritimen Kontinent hinweg zum Pazifik zieht und sich dort auflöst. Durch die vielfältigen Einflüsse auf das Wettergeschehen in der Region und durch die (Quasi-)Periodizität von 30 bis 90 Tagen ist das Auftreten der MJO von direktem Interesse für die Entwicklung einer möglichen subsaisonalen Wettervorhersage und deswegen seit längerem Gegenstand intensiver Forschung. Dabei verspricht man sich eine Verbesserung von Vorhersagen sowohl für die direkt betroffenen tropischen Regionen, als auch für andere Teile der Erde, da die MJO Bestandteil einiger Televerbindungen ist.

In der Forschung zur Variabilität der mittleren Atmosphäre hat die MJO bisher dagegen nur eine kleinere Rolle gespielt. Es gibt allerdings Gründe, die Wechselwirkungen von MJO und mittlerer Atmosphäre genauer zu untersuchen: Zum einen wird ein Teil der oben genannten Televerbindungen vermutlich über die Stratosphäre vermittelt, so dass der stratosphärische Einfluss wieder auf die Troposphäre zurückwirkt. Zum anderen ist man zum besseren Verständnis der mittleren Atmosphäre selbst daran interessiert, Quellen für die dort beobachtete Variabilität zu identifizieren. Auf der Zeitskala von einigen Wochen stand hier bisher der solare 27-Tage-Zyklus im Vordergrund. Die MJO hat jedoch das Potential auf einer ähnlichen Zeitskala zu Variabilität zu führen. Für beide genannten Gründe, sich mit dem Einfluss der MJO auf die mittlere Atmosphäre zu befassen, gibt es in der Literatur schon deutliche Hinweise, die allerdings häufig auf Modell- oder reanalysierten Daten beruhen.

Dies haben wir zum Anlass genommen, reine Beobachtungen von verschiedenen Parametern der mittleren Atmosphäre auf Einflüsse der MJO hin zu prüfen. Konkret stützen wir uns auf Beobachtungen des Satelliteninstruments MLS an Bord des NASA-Satelliten Aura. Mit einem einfachen statistischen Ansatz, der Komposit-Analyse, konnten wir Einflüsse der MJO auf verschiedene Parameter wie Temperatur, Ozon und Wasserdampf identifizieren. Diese Einflüsse erstrecken sich von der Tropopause teils bis in die Mesosphäre und zeigen teils von Wellen-Interaktionen in der mittleren Atmosphäre bekannte räumliche Strukturen. Der Einfluss der MJO wird dabei von weiteren Randbedingungen wie den Jahreszeiten oder dem Status der „Quasi-Biennial Oscillation (QBO)“ beeinflusst. In der Präsentation werden wir diese Ergebnisse vorstellen und uns dafür hauptsächlich auf die Temperatur als einen der zentralen Parameter stützen.

How to cite: Hoffmann, C. G., Buth, L., and von Savigny, C.: Einfluss der Madden-Julian-Oszillation auf die mittlere Atmosphäre in Beobachtungen des MLS-Satelliteninstruments, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-76, https://doi.org/10.5194/dach2022-76, 2022.

Our conventional, biogenic agriculture (CBA) has failed to provide a reliable concept to feed a growing population in a sustainable way. In particular CBA suffers from severe environmental externalities - such as the massive use of land area, water for irrigation, fertiliser, pesticides, herbicides, and fossil fuel.

Here we suggest the artificial synthesis of carbohydrates from (atmospheric) carbon dioxide, water, and renewable energy, which would allow not only a highly reliable production without those externalities, but would also open the possibility to increase the agricultural capacity of our planet by several orders of magnitude. Our study shows that saccharose could be produced from CO2, water and electrical energy with an efficiency exceeding 30% equivalent to about 15 kWh per kg of sugar. Factoring in the efficiency of photovoltaic electricity generation we derive a „sun to sugar“ efficinecy exceeding 6%, which is about 10-times the efficiency of CBA sugar beets or sugar cane.

All required technology is either commercially available or at least developed on a lab-scale. No directed research has, however, yet been conducted towards an industry-scale carbohydrate synthesis because the CBA carbohydrate production was thought to be economically more competitive. However, considering the environmental and socioeconomic externalities of the conventional sugar production, this economical narrative has to be questioned. We estimate the production costs of artificial sugar at about 1 €/kg. Today’s spot market price for conventional sugar is about 0.3 €/kg, however, we estimate its total costs (including external costs) at >0.9 €/kg in humid regions and >2 €/kg in semi-arid regions. Accordingly, artificial sugar appears already today to be the less expensive way of production. The artificial sugar production allows in principle also for a subsequent synthesis of other carbohydrates such as starch as well as of fats. These synthetic products could be used as a feedstock to microorganisms, fungi, insects, or livestock in order to enhance also the sustainability of the biogenic production of, e.g., proteins.

How to cite: Platt, U. and Dinger, F.: The benefit of an artificial carbohydrates supply on Earth, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-57, https://doi.org/10.5194/dach2022-57, 2022.