Der harte Kern der Wolken

Eiskristalle in Wolken können sich in der Atmosphäre sich viel leichter um sogenannte Eiskeime (engl. ice nucleating particles, INP) bilden als ohne diese Partikel. Mineralstaubpartikel gelten dabei als sehr effiziente INP, allerdings variiert diese Effizienz mit der mineralogischen Zusammensetzung, Größe und anderen Eigenschaften [1]. Um den Einfluss von Mineralstaub auf die Wolkenbildung mithilfe atmosphärischer Modelle zu quantifizieren, ist eine genaue Darstellung solcher Eigenschaften der Staubpartikel wichtig.

Bis vor Kurzem wurden Unterschiede in der mineralogischen Zusammensetzung von Mineralstaub, die je nach Ort der Emission auftreten können, nicht berücksichtigt. Dies hat sich nun geändert [2, 3], und diese neue Fähigkeit von Modellen, die Emission und den Transport von Staubmineralen zu simulieren, ebnet den Weg für eine differenziertere Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Staub und Wolken in Modellen in Abhängigkeit der Staubzusammensetzung und dem Mischungszustand.

Neben der Zusammensetzung ist die Partikelgröße eine entscheidende Eigenschaft, um die Wirksamkeit von Staubpartikeln als INP zu bewerten. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass in der Luft übertragene Staubpartikel viel größer sein können als bisher angenommen (bis zu etwa 400 µm, die Größe von grobem Strandsand) und über Tausende von Kilometern in der Luft transportiert werden können [4]. Da Partikelgröße, Unlöslichkeit und eine kristallographische Struktur - alles Eigenschaften, die mit grobem Mineralstaub verbunden sind - die INP-Effizienz begünstigen, sind große Mineralstaubpartikel wahrscheinlich besonders geeignet für die Eisnukleation. Allerdings waren Laborversuche zur Eisnukleation in Wolken in der Regel auf viel kleinere Partikelgrößen beschränkt, nicht zuletzt aufgrund technischer Herausforderungen im Zusammenhang mit den großen und schweren Partikeln.

Ein Team aus Forschenden des IMK-TRO und IMK-AAF des KIT, des Barcelona Supercomputing Center (BSC), der Technischen Universität Darmstadt, des Institute of Environmental Assessment and Water Research (IDAEA-CSIC) sowie der Universität Kreta haben sich nun dieser Herausforderung gestellt und eine Laborstudie in der renommierten AIDA-Wolkenkammer durchgeführt. Die Kampagne mit dem Namen MICOS  (“Dust-induced ice nucleation: Effects of MIneralogical COmposition and Size”) hatte das Ziel, die staubinduzierte Eisnukleation systematisch nach Größe zu untersuchen und dabei den typischen Partikelgrößenbereich, für den Wolkenkammerexperimente normalerweise durchgeführt werden, zu erweitern. Dabei wurden natürliche Mineralstaubproben von deutlich unterschiedlicher mineralogisch er Zusammensetzung verwendet. Hierfür wurde ein spezielles Versuchsdesign entwickelt, das unter anderem eine neue Methode zur Injektion der Staubpartikel in die AIDA-Kammer beinhaltet, die Kombination von AIDA mit ihrem kleineren Pendant AIDAmini [5], sowie eine wiederholte Partikelinjektion. Die Analyse der Experimente läuft derzeit und wird zu gegebener Zeit veröffentlicht. Bleiben Sie gespannt!

MICOS wurde im Rahmen von ATMO-ACCESS bewilligt und ist Teil eines Projekts, das von der Europäischen Kommission im Rahmen des Horizon 2020 - Rahmenprogramms für Forschung und Innovation unterstützt wird, H2020-INFRAIA-2020-1: Fördervereinbarungsnummer: 101008004.

[1] Kiselev, A., Bachmann, F., Pedevilla, P., Cox, S. J., Michaelides, A., Gerthsen, D., and Leisner, T.: Active sites in heterogeneous ice nucleation - the example of K-rich feldspars, Science, 355 (6323), 367-371, doi:10.1126/science.aai8034, 2016.

[2] Gonçalves Ageitos, M., Obiso, V., Miller, R. L., Jorba, O., Klose, M., Dawson, M., Balkanski, Y., Perlwitz, J., Basart, S., Di Tomaso, E., Escribano, J., Macchia, F., Montané, G., Mahowald, N., Green, R. O., Thompson, D. R., and Pérez García-Pando, C.: Modeling dust mineralogical composition: sensitivity to soil mineralogy atlases and their expected climate impacts, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2022-1414, 2023.

[3] Li, L., Mahowald, N. M., Miller, R. L., Pérez García-Pando, C., Klose, M., Hamilton, D. S., Gonçalves Ageitos, M., Ginoux, P., Balkanski, Y., Green, R. O., Kalashnikova, O., Kok, J. F., Obiso, V., Paynter, D., and Thompson, D. R.: Quantifying the range of the dust direct radiative effect due to source mineralogy uncertainty, Atmos. Chem. Phys., 21, 3973–4005, https://doi.org/10.5194/acp-21-3973-2021, 2021.

[4] van der Does, M., Knippertz, P., Zschenderlein, P., Harrison, R. G., and Stuut, J.-B. W.: The mysterious long-range transport of giant mineral dust particles, Sci. Adv., 4, eaau2768, doi:10.1126/sciadv.aau2768, 2018.

[5] Vogel., F., L. Lacher, J. Nadolny, H. Saathoff, T. Leisner, and O. Möhler: Development and validation of a new cloud simulation experiment for lab-based aerosol-cloud studies, Rev. Sci. Instrum., 93, 095106, doi:10.1063/5.0098777. 2022.

M. Klose, J. Holzwarth, und Sebastian Vergara Palacio, AG Mineralstaub, https://www.imk-tro.kit.edu/10519.php