RP 1: In situ measurements of ice nucleating particles (INP) and quantification of biological INP

Dr. Diana Rose, Prof. Dr. Joachim Curtius

Institut für Atmosphäre und Umwelt, Goethe Universität Frankfurt an Main

Mitarbeit: Fabian Frank (PhD student), Rebecca Kohl (PhD student)

Unsere Forschergruppe betreibt mit der „Fast Ice Nucleus Chamber“ (FINCH) ein selbst entwickeltes Gerät, das die Anzahlkonzentration von INP bei unterschiedlichen Gefriertemperaturen und Übersättigungen misst. Das Messprinzip dieses Geräts ist einzigartig – in FINCH wird der Aerosolfluss sowohl mit einem warmen feuchten als auch mit einem kalten trockenen Luftstrom vermischt. Durch Änderung der Durchflussrate und/oder der Temperatur der einzelnen Luftströme können die Gefriertemperaturen und Übersättigungen verhältnismäßig schnell variiert werden (innerhalb von Sekunden bis wenigen Minuten). Die eisbildenden Partikel werden aktiviert, wachsen zu Eispartikeln an, während sie durch die gekühlte Kammer fliegen, und werden in einem optischen Partikelzähler (OPC) gezählt. Der in diesem Gerät verwendete OPC ist in der Lage zwischen unterkühlten Wassertropfen und Eiskristallen zu unterscheiden, in dem er das Polarisationsverhältnis des zirkular-polarisierten Streulichts analysiert (P44/P11 Verhältnis der Streumatrix; Hu et al., 2003). Außerdem wird die Fluoreszenz der Partikel detektiert, die aus deren Anregung mit UV-Licht resultiert (Bundke et al., 2010). Dies liefert einen Hinweis auf biologisches Material in den Partikeln (Pöhlker et al., 2012).

Im Verlauf der INUIT Phase 1 wurde FINCH zu einem leistungsstarken Gerät entwickelt, das in der Lage ist, eisbildende Partikel unter Feld- sowie Laborbedingungen zu detektieren. FINCH läuft dabei wesentlich stabiler als noch zu Beginn des Inuit Projekts. Außerdem konnten weitreichende experimentelle Erfahrungen im Verlauf der letzten drei Jahre gesammelt werden. FINCH wurde bei verschiedenen Feld- und Laborkampagnen eingesetzt, bei denen einzigartige Datensätze aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse waren relativ gut vergleichbar mit denen anderer Geräte.

Das hauptsächliche Ziel dieses Projekts ist es zuverlässige Messungen atmosphärischer INP-Konzentrationen, idealerweise in Abhängigkeit von der Temperatur (im Bereich von Mischphasenwolken: T = -10 bis -38°C) und vom Sättigungsverhältnis in Bezug auf Eis (sice = 1.1 bis 1.8), durchzuführen. Die Ergebnisse können dann als Eingabeparameter für erweiterte Wolkenmodelle dienen, um die Rolle der INP für die Bildung und Eigenschaften von Wolken sowie für die Niederschlagsbildung abzuschätzen.

Phase 2 des INUIT-Projekts beinhaltet folgende Teilziele:
Durchführung umfassender Laborstudien in unserem eigenen Labor um die Zuverlässigkeit der mit FINCH erzielten Ergebnisse zu verbessern
Teilnahme  an verschiedenen Kampagnen an der AIDA-Kammer und an LACIS
Teilnahme an Feldkampagnen zur Sammlung einer Vielzahl von atmosphärischen Daten der INP-Anzahlkonzentration in Abhängigkeit von der Temperatur, der Sättigung und der Gesamtpartikelanzahlkonzentration

Daneben sind umfangreiche Kooperationen mit weiteren INUIT-Forschergruppen (RP2, RP6, RP7, und RP8) geplant.

References:
Bundke, U., Nillius, B., Jaenicke, R., Wetter, T., Klein, H., and Bingemer, H.: The fast Ice Nucleus chamber FINCH, Atmos. Res., 90, 180-186, 10.1016/j.atmosres.2008.02.008, 2008.

Bundke, U., Reimann, B., Nillius, B., Jaenicke, R., and Bingemer, H.: Development of a Bioaerosol single particle detector (BIO IN) for the Fast Ice Nucleus CHamber FINCH, Atmos. Meas. Tech., 3, 263-271, doi:10.5194/amt-3-263-2010, 2010.
Hu, Y.-X., Yang, P., Lin, B., Gibson, G., and Hostetler, C.: Discriminating between spherical and non-spherical scatterers with lidar using circular polarization: a theoretical study, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 79-80, 757-764, 10.1016/S0022-4073(02)00320-5, 2003.

Pöhlker, C., Huffman, J. A., and Pöschl, U.: Autofluorescence of atmospheric bioaerosols – fluorescent biomolecules and potential interferences, Atmos. Meas. Tech., 5, 37-71, doi:10.5194/amt-5-37-2012, 2012

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