Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4246
Schlicht, Stefanie
Untersuchungen zur Wasser-Partitionierung in Zirruswolken - Feldmessungen und Modellrechnungen
XIX, 138 S., 2007
Zirren haben einen Einfluss auf das Klima unserer Erde. In wieweit verschiedene Bildungsmechanismen
die Entwicklung der Zirren und damit die Klimarelevanz beeinflussen,
ist jedoch weitestgehend unerforscht. Die In-situ-Messungen von Wasserdampf und
Eiswassergehalt, die in dieser Arbeit vorgestellt und evaluiert wurden, liefern einen Beitrag
zum Verständnis der Partitionierung und der Entwicklung der Partitionierung von
Wasser auf Gas- und Eisphase in Zirren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde weiterhin das Messgerät OJSTER (Open-path Jülich’s
Stratospheric Tdl-ExpeRiment) in Betrieb genommen und bei verschiedenen Messkampagnen
zur Wasserdampfmessung erfolgreich eingesetzt. Messungen mit diesem modernen
abstimmbaren Diodenlaser-Hygrometer in Zirruswolken ergänzen den in dieser Arbeit
vorgestellten Datensatz zu Zirruswolken. Dieser In-situ-Datensatz ist derzeit weltweit
einzigartig in seiner Temperaturspanne (180 bis 240 K) sowie in der Abdeckung
der Klimazonen (arktische Regionen, mittlere Breiten und Tropen) unserer Erde. Mit der
Eisnukleation beginnt die Partitionierung von Wasser in Zirren. Eiskristalle bilden sich
und wachsen durch Aufnahme von Wasser aus ihrer Umgebung an. In der Vergangenheit
wurden sehr hohe relative Feuchten (RHi) über Eis von bis zu 200 % insbesondere in
kalten Zirren beobachtet. Mechanismen, die solch hohe relative Feuchten in Zirren ermöglichen,
sind jedoch weitestgehend unerforscht. Die Anwendung einer theoretischen
Betrachtung des dynamischen Gleichgewichts in Eiswolken nach Korolev et al. 2003 mit
Verwendung einer neuen Klimatologie zeigt die Möglichkeit zur Erzeugung solch hoher
Übersättigungen im dynamischen Gleichgewicht durch rein thermodynamische Prozesse.
Die einflussreichsten Parameter dieser Betrachtung werden herausgestellt.
Mit einer Fallstudie eines Zirrus aus der CIRRUS 2004 Kampagne wird mit den gesammelten
Messdaten (RHi, Eiswassergehalt, Anzahl und Größe der Eiskristalle) und einem
Vergleich der Daten mit Modellrechnungen mittels des EuLag Modells der Einfluss und
auch Überlagerungen von dynamischen Prozessen verifiziert. Hierzu wurden die gemessenen
Größen zur Initialisierung der Modelläufe verwendet. Aus der Fallstudie wird ersichtlich,
dass die Wasser-Partitionierung in Zirren durch viele Prozesse beeinflusst werden
kann, wobei rein thermodynamische Prozesse möglicherweise dominieren.
Cirrus clouds influence climate change. However, forming mechanisms and their influences
on the development of cirrus clouds are not investigated very well. For the knowledge
on climatic relevance of different types of cirrus clouds we need more information
on cirrus forming and development. In situ measurements of water vapour and ice water
content sampled and evaluated during this doctoral thesis will give information on
the partitioning of water in cirrus clouds and will improve our understanding of cirrus
development.
For water vapour measurements, the state of the art instrument OJSTER (Open-path Jülich’s
Stratospheric Tdl-ExpeRiment) was put into operation and run successfully during
several campaigns. The measured data sets complete a unique data set of measurements
in cirrus clouds. Its temerature ranges from 180 to 240 K and covers all three regions of
climate — arctics, mid latitude and tropics. With ice nucleation the partitioning of water
in cirrus clouds starts. Crystals form and grow due to water uptake. In the past high relative
humidity with respect to ice (RHi ∼ 200%) was observed inside cirrus clouds. But the
mechanisms making such high RHi possible are investigated sparcely. Using a theoretical
framework invented by Korolev et al. and a new climatology, I can show the possibility
to create such high RHi in dynamic equilibrium of the clouds due to thermodynamic
processes only. The most important parameters influencing RHi are presented.
The case study of a cirrus cloud observed during the CIRRUS 2004 campaign shows in
situ measurements of RHi, ice water content, number density, and size of ice crystals
inside the ice cloud. These parameters are used to initialize modell calculations with the
EULAG modell. That cirrus clouds’ water partitioning can be influenced by several processes
where thermodynamic processes might be dominant follows from this case study.
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