Assessing the Potential of Cirrus Cloud Thinning through Cloud Chamber Experiments and Parcel Model Simulations

Die Ausdünnung von Zirruswolken („cirrus cloud thinning“, CCT) ist ein Ansatz des
aktiven Eingriffs in unser Klimasystem („Climate Engineering“), um eine regionale
Abkühlung zu bewirken, indem die Bedeckung grundsätzlich wärmender Zirruswolken
reduziert wird. Das Einbringen (Seeding) von eisnukleierenden Partikeln (INPs) würde
den natürlichen Prozess der Zirruswolkenbildung beeinflussen und voraussichtlich die
Wolkeneigenschaften in Richtung einer dünneren Wolke mit kürzerer Lebensdauer verän-
dern [51]. Da Zirren (im Mittel) eine wärmende Wirkung haben, könnte die Verminderung
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dieser Wolken zu einer Abkühlung der Erdoberfläche führen. Die Arktis könnte aufgrund
regionaler Rückkopplungseffekte besonders von einem solchen Eingriff profitieren.
In dieser Arbeit werden Wolkenkammerexperimente und Boxmodellsimulationen zu
CCT vorgestellt. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Wettbewerbs
zwischen heterogenem und homogenem Gefrieren bei und ermöglichen somit eine genauere
Bewertung der Wirksamkeit von CCT.
In unseren Wolkenkammerexperimenten wird die Wirksamkeit von CCT untersucht,
indem die Konkurrenz zwischen homogenem Gefrieren von Schwefelsäurelösungströpfchen
und heterogener Eisbildung durch drei verschiedene Eiskeimtypen, namentlich pyro-
gene Kieselsäure, Quarz und Kalziumkarbonat, untersucht wird. Diese Wolkenkam-
merexperimente zeigen, dass die Wirksamkeit von CCT, genauer die Minimierung der
Gesamteiskristallzahlkonzentration, von der Umgebungstemperatur und der Konzentra-
tion des Impfaerosols abhängt.
Das Lagrange’sche Boxmodell MAID (Model for Aerosol and Ice Dynamics) wird
anhand unserer experimentellen Ergebnisse validiert und zur weiteren Analyse der
Wirksamkeit von CCT über den experimentell zugänglichen Parameterraum hinaus
verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Modell überarbeitet und um ein neues
heterogenes Gefrierschema, intern berechnete Trajektorien und die Darstellung von
Schwerewellen getriebenen Fluktuationen erweitert. Nach der Validierung führen wir at-
mosphärische CCT-Simulationen mit kleineren Seeding-Konzentrationen und langsameren
Aufwindgeschwindigkeiten entlang adiabatischer Aufwind-Trajektorien durch. Die Ergeb-
nisse zeigen sowohl Regime mit optimalen Seeding-Bedingungen als auch Regime mit
gegenteiligem Effekt (Overseeding). Werden die Aufwindtrajektorien mit von Schw-
erewellen verursachten Fluktuationen überlagert, verlieren die Merkmale dieser Regime
an Deutlichkeit, und die Wirkung von CCT wird erheblich reduziert.
Unsere Ergebnisse unterstreichen die Komplexität der Wirksamkeit von CCT und
verdeutlichen dessen Empfindlichkeit bezüglich Variationen der Seeding-Konzentration,
Aufwindsgeschwindigkeit und Schwerewellenfluktuationen. Aufgrund des starken Ein-
flusses und der statistischen Natur von Schwerewellenfluktuationen ist eine kontrollierte
Anwendung von CCT eine Herausforderung. Eine statistische Analyse der Simulationen
mit stochastisch auftretenden Auftriebsfluktuationen zeigt jedoch, dass bei geringem bis
mäßigem Seeding 20 bis 30 % der Zirren ausgedünnt werden. Unsere Modellsimulationen
unterstreichen die Bedeutung der Konkurrenz zwischen heterogenem und homogenem
Gefrieren sowie der von Schwerewellen getriebenen Auftriebsfluktuationen.

Cirrus cloud thinning (CCT) is a climate engineering approach to achieve regional cooling
by reducing the coverage of effectively warming cirrus clouds. Seeding with ice-nucleating
particles (INPs) would affect the natural cirrus cloud formation process and is expected
to change the cloud properties to a thinner cloud with a shorter lifetime [51]. With cirrus
clouds having a warming effect (on average), diminishing these clouds could lead to a
surface cooling. The Arctic could particularly benefit from such a intervention, due to
regional feedback effects.
In this work cloud chamber experiments and parcel model simulations on CCT are
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presented. These results contribute to a better understanding of the competition between
heterogeneous and homogeneous freezing and will therefore support a more rigorous
evaluation of CCT effectiveness.
In our cloud chamber studies, CCT effectiveness is probed by investigating the compe-
tition between homogeneous freezing of sulfuric acid solution droplets and heterogeneous
ice nucleation by three different seeding agents, i.e. fumed silica, quartz and calcium car-
bonate. These cloud chamber experiments show that CCT effectiveness (i.e. minimizing
the total ice crystal number concentration) is dependent on the ambient temperature
and the concentration of the seeding aerosol.
The Lagrangian parcel model MAID (Model for Aerosol and Ice Dynamics) is validated
against our experimental results and used to further analyze CCT effectiveness beyond the
experimentally accessible parameter space. As part of this work, the model as improved
and expanded by a new heterogeneous freezing scheme, internally calculated trajectories
and the representation of gravity wave driven fluctuations.
After validation we conduct atmospheric CCT simulations with smaller seeding concen-
trations and slower updraft velocities along adiabatic updraft trajectories. The results
show regimes of optimal seeding conditions, as well as regimes with the opposite effect
(overseeding). If the updraft trajectories are superimposed with gravity wave driven
fluctuations, the characteristics of those regimes become less distinct and the effect of
CCT is significantly reduced.
Our results underline the complexity of CCT effectiveness and highlight the sensitivity
with regard to variations of the seeding concentration, updraft velocity and gravity wave
fluctuations. Due to the strong impact and statistical nature of gravity wave fluctuations
a controlled application of CCT is challenging. Yet, a statistical analysis of stochastic
updraft fluctuations shows thinned cirrus in 20 % to 30 % of the scenarios with low to
moderate seeding. Our model simulations emphasize the importance of the competition
between heterogeneous and homogeneous freezing, as well as gravity wave driven updraft
fluctuations.