Ice formation pathways in warm conveyor belts
Loading...
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Reuse License
Abstract
Reine Eiswolken in der Erdatmosphäre in Höhen zwischen 7 und 12 Kilometer werden
allgemein als ’Cirrus’ bezeichnet. Wir unterscheiden zwischen zwei thermodynamis-
chen Entstehungswegen für natürlichen Cirrus, einen nahe und einen unter Sättiung
im Bezug auf Wasser. Unterhalb des Dreiphasenpunkts (0 ◦ C) gefrieren Wassertropfen
nahe Sättigung für gewöhnlich durch Interaktionen mit einem geeigneten Aerosolpartikel
(Eiskeim), welches den Gefrierprozess initiiert. Ohne Eiskeime können Wassertropfen bis
zu ≈ −35 ◦ C unterkühlt werden bis sie durch spontane Fluktuationen homogen gefrieren.
Entsteht der Cirrus durch Gefrieren von Wassertropfen wird der Entstehungsweg als ’liq-
uid origin’ bezeichnet. Ist die Luft untersättigt im Bezug auf Wasser können Eiskristalle
bei hoher Eisübersättigung auch direkt aus der Gasphase entstehen. Dies geschieht
zum Beispiel durch die Deposition von Dampf direkt auf die Oberfläche eines Aerosol-
partikeles, welche Eisnukleationseigenschaften besitzt, wie zum Beispiel Staub. Dieser
Entstehungsweg wird als ’in-situ’ bezeichnet.
Messungen deuten daraufhin, dass Cirrus charakteristische Eigenschaften je nach Entste-
hungsweg aufweist. So nehmen wir an, dass ’liquid origin’ Cirrus für gewöhnlich höhere
Eisanzahlkonztrationen und größere Eiskristalle als ’in-situ’ Cirrus zeigt. Dies beeinflusst
die Strahlungseigenschaften des Cirrus, also ob er im Schnitt wärmend oder kühlend
wirkt. Es ist also wichtig, dass wir unser physikalischen Verständnis der Cirrus Entste-
hung verbessern um ihren Einfluss auf die Energiebilanz der Erde einschätzen zu können.
Dies ist besonders wichtig für die großflächigen Cirruswolkenfelder, die im Outflow von
Warm Conveyor Belts (WCB) entstehen. Warm Conveyor Belts sind häufig auftre-
tende synoptische Wettererscheinungen, die im Warmsektor von außertropischen Zyk-
lonen entstehen. Diese gewaltigen atmosphärischen Strömungen heben Wolkentropfen
und feuchte Luft aus der Grenzschicht bis in die obere Troposphäre wodurch sie Cirrus-
wolken erzeugen. Jedoch besteht kein Konsens darüber ob dabei der ’liquid origin’ oder
’in-situ’ Entstehungsweg präferiert wird.
Im erstem Teil dieser Doktorarbeit stellen wir ein neues Mikrophysikmodell, das ’Eismod-
enschema’, vor, welches erlaubt in atmosphärischen Simulationen den Entstehungsprozess
von Eiskristallen zu erfassen. Damit teilen wir die Eiskristalle in ’Eismoden’ auf. Mit
dieser Herangehensweise lässt sich die Herkunft von Cirren klassifizieren.
Zunächst wird dieses neue Mikrophysikmodell in idealisierten Simulationen von hochre-
ichender Konvektion getestet und mit Referenzsimulationen verglichen. Als Nächstes
wird das Eismodenschema in einer Fallstudie eingesetzt um die Eisentstehungswege in
einem WCB zu untersuchen und mit einem etablierten Algorithmus zur Cirrusklassi-
fizierung zu vergleichen. Die Cirruseigenschaften beider Klassifizierungsmethoden wer-
den mit Klimatologien aus Beobachtungsdaten verglichen.
Als Nächstes wird der Einfluss verschiedener heterogener Eisnukleations Parametrisierun-
gen auf die Eisentstehungswege und Cirrusklassifizierung untersucht. Als Letztes wird
diese Analyse der Eisentstehungswege für ein Ensemble von WCB Fallstudien wieder-
holt. Dort wird die Beziehung von dem präferierten Eisentstehungsweg zu den atmo-
sphärischen Startbedingungen der WCB Luftströme untersucht.