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Abstract (German)

Mischwolken bestehen aus Wassertropfen und Eiskristallen und kommen im Temperaturbereich zwischen 0 °C und -40 °C vor. Sie sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung, da Simulationsrechnungen darauf hindeuten, dass der Grad der Vereisung einen wesentlichen Einfluss auf die Strahlungseigenschaften dieses Wolkentyps hat. Bisher wird zumeist der integrale Wasser- und Eisgehalt zur Untersuchung des Vereisungsprozesses in Mischwolken herangezogen. In dieser Arbeit werden zum ersten Mal umfassende größenaufgelöste Labor- und flugzeugbasierte in-situ-Messungen an Mischwolken vorgenommen. Diese Messungen wurden mit dem Novel Ice EXpEriment - Cloud and Aerosol Particle Spectrometer (NIXE-CAPS), einem etablierten Wolkenpartikelmessgerät durchgeführt, welches um einen Polarizationsdetektor erweitert wurde um zwischen Tropfen und Eiskristallen unterscheiden zu können. Die gemessenen Instrumentparameter umfassen unter anderem die Konzentration und die Phase von Wolkenpartikeln im Größenbereich zwischen 0.61 µm und 937.5 µm. In dieser Studie wird die Abhängigkeit des Vereisungsgrades in Mischwolken von der Anzahl der Eiskondensationskeime, der relativen Feuchte und der Temperatur in künstlich in der AIDA-Kammer erzeugten und natürlichen Wolken, die 2011 an Bord des britischen Forschungs Flugzeugs BAE146 während der COALESC Kampagne über Großbritannien beobachtet wurden, untersucht. Bei Mischwolken, die bei unter- oder übersättigter relativer Feuchte bezüglich Wasser (RHw) in der AIDA-Kammer erzeugt wurden, konnten signifikante Unterschiede im Vereisungsgrad festgestellt werden. Die Tropfenkonzentration in übersättigten RHw Umgebungen ist im gesamten Temperaturbereich konstant hoch (um 500 cm^3), da keine Verdampfung der Wassertropfen stattfindet (Wasser und Eis Koexistenz-Regime). Bei untersättigten Bedingungen verdampfen die Tropfen hingegen (Wegener-Bergeron-Findeisen Regime) und ihre Konzentration nimmt mit sinkender Temperatur von etwa 100 cm^3 bei 270 K auf 1 cm^3 bei 235 K ab. Dieser Abfall wird sehr wahrscheinlich durch die steigende Differenz zwischen den Wasserdampf-Sättingungsdrücken bezüglich Wasser und Eis verursacht. Die Tropfenkonzentration in Mischwolken wird also hauptsächlich durch die Dynamik bestimmt. Obwohl die Anzahl der Eiskondensationskeime und damit die Eiskristallkonzentration in den AIDA-Wolken auf einem konstant hohen Niveau lag, ergab sich hier im Wasser-Eis Koexistenz-Regime ein Anzahlanteil von gefrorenen Wolkenpartikeln von nur etwa 10 % bei allen Temperaturen. Im untersättigten Wegener-Bergeron-Findeisen Regime nimmt der Anzahlanteil der Eispartikel mit sinkender Temperatur und Tröpfchenanzahl von etwa 20 % bei 270 K bis zu 80 % bei 235 K zu. Die kälteren AIDA-Wolken im Wegener-Bergeron-Findeisen Regime zeigen daher einen hohen Vereisungsgrad, welcher dort auch erwartet wird. Vollständige Vereisung tritt jedoch nicht auf. Trotzdem ist der Massenanteil von Eis sehr nah an 100 %, da die verbleibenden als Tröpfchen klassizierten Partikel sehr klein sind. Wie sich herausstellte, befanden sich die natürlichen COALESC-Wolkenmessungen fast alle im Wegener-Bergeron-Findeisen Regime, wo die Tropfenanzahl mit sinkenden Temperaturen äquivalent zu den AIDA-Wolken abnahm. Allerdings ist die Anzahl der Eiskondensationskeime in der Atmosphäre wesentlich geringer als in der AIDA-Kammer. Daher liegt der hier beobachtete Anzahlanteil der Eispartikel nur bei etwa 2 % bei 270 K bis zu 20 % bei 235 K, also wesentlich geringer als bei den AIDA-Wolken, welche in einer Umgebung mit einer hohen Anzahl von Eiskondensationskeimen stark vereisten. Die Messungen der AIDA- und COALESC-Mischwolken zeigen, dass der Vereisungsgrad von Mischwolken sowohl von der thermodynamischen Situation als auch von der Konzentration der Eiskondensationskeime abhängt. Die Messungen zeigen außerdem, dass die Koexistenz von Wasser und Eis in natürlichen Mischwolken im Wegener-Bergeron-Findeisen Regime möglich ist, obwohl der Zustand vollständiger Vereisung hier bis jetzt als wahrscheinlichster Zustand angenommen wurde.

Abstract (English)

Mixed-phase clouds consist of liquid droplets and ice crystals and appear in the temperature range between 0 °C and -40 °C. They are in the focus of recent research because model studies indicate that their degree of glaciation have an impact on the cloud radiative properties. Up to now, mainly the measurement of bulk liquid and ice water content is used to investigate the mixed-phase cloud glaciation process. This study, for the first time, presents extensive size resolved laboratory and aircraft based in-situ mixed-phase cloud observations. For this purpose, the Novel Ice EXpEriment - Cloud and Aerosol Particle Spectrometer (NIXE-CAPS), an established cloud particle instrument, but equipped with an additional depolarization detector to distinguish ice crystals and liquid droplets, is used. The complete set of measured parameters includes concentration and phase of cloud particles in the size range of 0.61 µm to 937.5 µm. Here, the dependence of mixed-phase cloud glaciation on the initial number of ice active aerosol, relative humidity and temperature is investigated for clouds generated in the AIDA cloud chamber and for natural clouds observed on boardof the British aircraft BAE146 during the COALESC campaign over the UK in 2011. A significant difference in the degree of glaciation is found for AIDA mixed-phase clouds evolved in either sub- or supersaturated humidity conditions with respect to water (RHw). The droplet concentration in supersaturated RHw regimes is constantly high (around 500 cm^3) over the whole temperature range, since the droplets do not evaporate (droplet ice coexisting regime). Under subsaturated conditions where evaporation of droplets occurs (Wegener-Bergeron-Findeisen regime), their concentrations decrease with temperature from about 100 cm^3 at 270 K to 1 cm^3 at 235 K. This decrease in droplet concentration is most likely caused by the increasing difference of the water vapor saturation pressure with respect to liquid and ice. Hence, the droplet concentration in mixed phase clouds seems to be mainly driven by the dynamic situation. The number of ice nuclei in the AIDA chamber and thus the ice crystal concentration of the AIDA clouds was constantly high. In the droplet-ice coexistence regime, where also high liquid droplet concentrations are observed, the resultant number fraction of frozen cloud particles is only about 10 % for all temperatures. In contrast, in the subsaturated Wegener-Bergeron-Findeisen regime, the ice number fraction increases with decreasing droplet concentration from about 20 % at 270 K up to 80 % at 235 K. Thus, the colder AIDA clouds in the Wegener-Bergeron-Findeisen regions show a high degree of glaciation which is expected for Wegener-Bergeron-Findeisen conditions, but complete glaciation does not occur. Nevertheless, the ice mass fraction is very close to 100 %, since the remaining particles classified as droplets are only small. The COALESC natural clouds are found to be almost all in the Wegener-Bergeron-Findeisen regime with droplet numbers decreasing with temperature, as for the AIDA clouds. However, the number of ice nuclei in the atmosphere is much lower than in the AIDA chamber. Thus, the ice number fraction observed for the COALESC natural clouds ranges only from about 2 % at 270 K up to 20 % at 235 K. It is much lower than for the respective AIDA clouds which glaciated in an environment with a very high number of ice nuclei. The measurements in the AIDA and COALESC mixed-phase clouds illustrate how the degree of glaciation in mixed-phase clouds is determined by both the thermodynamic situation of the cloud and the number of ice nuclei, and, most interestingly, that coexistence of droplets and ice is possible in natural mixed-phase clouds in the Wegener-Bergeron-Findeisen regime, where complete glaciation is believed to be the most probable state.

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