Nachverfolgung des Lebenszyklus von Eiskeimen zur Verbesserung von Klimaprojektionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen beeinflussen den Temperaturhaushalt der Erde und den Niederschlag. Wolken reflektieren Sonnenstrahlung und absorbieren terrestrische Strahlung. Die thermodynamische Phase der Wolke - ob eine Wolke aus Flüssigkeit oder Eis in der Mischphase (-35°C bis 0°C) besteht - beeinflusst die gesamte Strahlungswirkung der Wolke, da flüssige Tröpfchen mehr Sonnenstrahlung reflektieren als Eispartikel. Wenn sich das Klima erwärmt und Eiswolken teilweise durch Flüssigwolken ersetzt werden, nimmt die Wolkenalbedo zu. Dieser Prozess wird als negative Rückkopplung der Wolkenphase bezeichnet. Vor allem aber wird immer deutlicher, dass die Unsicherheiten der Klimaprojektionen (+1,8 bis +6,5 K) mit der neuen Generation von Klimamodellen stark von der simulierten Rückkopplung der Wolkenphase abhängen. Aerosole sind besonders wichtig für Mischphasenwolken, da bestimmte Aerosolpartikel wie eiskeimbildende Partikel (Ice Nucleating Particles, INPs) wirken können, die das Gefrieren von Tröpfchen auslösen, die Häufigkeit von Eiswolken erhöhen und die Wolkendecke und den Wassergehalt verringern, da die Eispartikel auf Kosten der Wolkentröpfchen wachsen und dann herunterfallen, was den Niederschlag auch verstärkt. Das durch Aerosole ausgelöste Gefrieren von Tröpfchen ist in Klimamodellen jedoch nur unzureichend erfasst, was zu großen Unsicherheiten bei der Häufigkeit von Eiswolken und damit bei Klimaprojektionen führt. In Mischphasenwolken führen unterschiedliche Parametrisierungen des Immersionsgefrierens zu erheblichen Modellunsicherheiten bezüglich der mittleren Wolkeneishäufigkeit und der Strahlungswirkung von Staub-INPs. Um unser Verständnis von INPs zu verbessern und den Klimawandel mit größerer Genauigkeit zu prognostizieren, ist es daher von entscheidender Bedeutung, das staubaerosolgetriebene Gefrieren von Tröpfchen - ein mikrophysikalischer Prozess - mit der Wolkenphase - einem großräumigen Proxy für die Wolkenvereisung - in Einklang zu bringen. In diesem Projekt konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Häufigkeit der Eis-zu-Flüssigkeit-Bilanz (Ice-To-Liquid Frequency, ILF) auf das staubinduzierte Gefrieren von Immersionströpfchen zwischen -15°C und -30°C in der nördlichen Hemisphäre zurückgeführt werden kann. Durch die Trennung von 35 Jahren weltraumgestützter Wolkenbeobachtungen nach Wolkentemperaturen haben wir herausgefunden, dass Staubaerosol sowohl räumlich als auch zeitlich stark mit ILF zwischen 30 und 90°N korreliert ist. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Empfindlichkeit von ILF auf Temperatur und Staub um einen Faktor 2 mit Labormessungen des Tröpfchengefrierens übereinstimmt. Damit bieten unsere Ergebnisse zum ersten Mal einen standardisierten Maßstab für die Bewertung des Einflusses von Staub auf die ILF und für die Bewertung der Wolkenvereisung in Klimamodellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Important role of stratospheric injection height for the distribution and radiative forcing of smoke aerosol from the 2019–2020 Australian wildfires. Atmospheric Chemistry and Physics, 22(15), 9969-9985.
Heinold, Bernd; Baars, Holger; Barja, Boris; Christensen, Matthew; Kubin, Anne; Ohneiser, Kevin; Schepanski, Kerstin; Schutgens, Nick; Senf, Fabian; Schrödner, Roland; Villanueva, Diego & Tegen, Ina
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Mixed-phase regime cloud thinning could help restore sea ice. Environmental Research Letters, 17(11), 114057.
Villanueva, D.; Possner, A.; Neubauer, D.; Gasparini, B.; Lohmann, U. & Tesche, M.
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Does prognostic seeding along flight tracks produce the desired effects of cirrus cloud thinning?. Atmospheric Chemistry and Physics, 23(13), 7673-7698.
Tully, Colin; Neubauer, David; Villanueva, Diego & Lohmann, Ulrike
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Ice-nucleating particles in northern Greenland: annual cycles, biological contribution and parameterizations. Atmospheric Chemistry and Physics, 23(8), 4741-4761.
Sze, Kevin C. H.; Wex, Heike; Hartmann, Markus; Skov, Henrik; Massling, Andreas; Villanueva, Diego & Stratmann, Frank
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Retrieving global cloud top phase patterns: The reliability of spaceborne retrievals. Copernicus GmbH.
Villanueva, Diego
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The competing effect of aerosols on stratiform mixed-phase clouds. Copernicus GmbH.
Villanueva, Diego
