Fernerkundung von Phasenübergängen in Mischphasenwolken mittels abbildender Hyperspektral- und Polarisationsmessungen in (AC)3 und CIRRUS-HL

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Mayer
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442667104

Ziel des Projekts ist die Bestimmung der Mikrophysik, insbesondere der Phase, arktischer Mischphasenwolken mittels neuer passiver Fernerkundungsmethoden. Durch die Bestimmung der Anteile von Flüssig- und Eisphase mit einer horizontalen Auflösung von besser als 100 Meter können kleinskalige Prozesse untersucht werden, die für die Lebenszeit von Wolken relevant sind. Für die vorgeschlagene Studie ergeben sich zwei Fragestellungen: Welche Genauigkeit ist bei der Bestimmung der thermodynamischen Phase von Wolken mit einer Kombination von spektralen mit winkelaufgelösten Beobachtungen möglich? Was ist die typische räumliche und zeitliche Skala niedriger Mischphasenwolken und deren Phasenänderung während arktischen Luftmassenaustauschprozessen wie Kaltluftausbrüchen und Warmlufteinbrüchen?Die Phase bestimmt maßgebliche die Lebensdauer von Wolken in der Arktis. Im Vergleich zu kleinen, unterkühlten Wassertröpfchen führt Eisbildung durch den Bergeron-Findeisen Prozess zu größeren Eispartikeln. Diese größeren Eispartikel und die höhere Emissivität von Eis gegenüber Wasser führen in weiten Bereichen des spektralen thermischen Fensters zu einer erhöhten Emissivität der Wolke. Die Sedimentation von Eis reduziert jedoch gleichzeitig den Wassergehalt der Wolke, was eine verkürzte Lebensdauer und einen geringeren Bedeckungsgrad zur Folge hat. Diese Prozesse sind eine der großen Unsicherheiten bei Verständnis und Vorhersage des Klimas in der Arktis. Insbesondere die Zeitskala des Phasenübergangs ist weder in Modellen vernünftig repräsentiert, noch durch Beobachtungen gut belegt. Die Unsicherheit resultiert aus der kleinskaligen Variabilität (vertikal und horizontal) der beteiligten Größen: Der Übergang zwischen Flüssig- und Eisphase findet in dünnen Wolkenschichten von einigen 100 Metern Dicke statt. Zudem beeinflussen Auf- und Abwinde mit einer horizontalen Variabilität von einigen 10 – 100 Metern die Änderung der Phase.Daher schlagen wir vor, zwei sich ergänzende Fernerkundungsmethoden zu kombinieren, um passive Wolkenfernerkundung auf Mischphasen zu erweitern: (1) die Nutzung der spektralen Strahldichte, wie sie gegenwärtig z.B. bei der Bestimmung der Phase, der optischen Dicke und der Partikelgröße von MODIS für reine Eis- oder Wasserwolken Anwendung findet; (2) winkelabhängige Messungen, die spezifische Merkmale der Streumatrix von Flüssigwasser (z.B. Regenbogen und Rückstreuglorie) sowie Eis (spiegelnde Reflexion) nutzen. Räumliche und zeitliche Skalen des Phasenübergangs von Flüssig- zu Eisphase werden charakterisiert. Diese Beobachtungen sind durch die Ergänzung unseres hyperspektralen Sensors specMACS um eine polarisationssensitive Weitwinkel-Kamera (specMACS-P) möglich geworden. Die Kombination beider Systeme wurde während der Testflüge für EUREC4A zum ersten Mal eingesetzt. Der neue Sensor hat eine horizontale Auflösung von besser als 100 Meter.

• DFG-Verfahren: Infrastruktur-Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the "High Altitude and Long Range Research Aircraft" (HALO)
• Mitverantwortliche: Dr. Claudia Emde; Dr. Tobias Zinner