Microphysical and Optical Properties of Small Atmospheric Ice Particles

Cirruswolken zählen zu den häufigsten Wolkenarten und haben einen wesentlichen Einfluss auf das Klimasystem. Neben einem kühlenden Einfluss durch die Reflexion der kurzwelligen Sonnenstrahlung haben sie auch einen wärmenden Effekt durch die Absorption der von der Erde emittierten langwelligen Infrarotstrahlung. Damit der Einfluss von Cirruswolken gut in Klimamodellen repräsentiert werden kann, müssen deren mikrophysikalische und optische Eigenschaften genau bekannt sein. Eiskristalle mit Größen unter 70 µm kommen häufig in Cirruswolken vor, doch der Zusammenhang zwischen ihren mikrophysikalischen Eigenschaften (wie Größe und morphologische Komplexität) und ihren optischen Eigenschaften ist bislang unklar.
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Diese Arbeit beinhaltet eine Untersuchung des Einflusses der Wachstumsbedingungen auf die Größe und morphologische Komplexität von Eispartikeln mit Größen unter 70 µm in Wolkenkammer-Experimenten und eine Messung und Analyse der mikrophysikalischen Eigenschaften bodennaher Eispartikel auf dem Antarktischen Plateau. Zusätzlich untersucht wird der Einfluss der Wachstumsbedingungen und mikrophysikalischen Eigenschaften auf die optischen Eigenschaften der Eispartikel.
Wolkenkammer-Experimente wurden in der Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) Wolkensimulationskammer durchgeführt, um Eispartikel gezielt unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen zu untersuchen. Das gemessene lineare Depolarisationsverhältnis (𝛿) lag mit Werten unter 0.3 unterhalb typischer Messungen in mittleren Breiten, jedoch im Bereich polarer Beobachtungen. Zwei verschiedene temperaturabhängige Moden zwischen 𝛿 und der Partikelgröße wurden zudem bei den Wolkenkammermessungen gefunden. Die Messergebnisse konnten bei hinreichender Berücksichtigung morphologischer Komplexität im Modell des Eispartikels (Oberflächenrauigkeit, interne Streupunkte und hohle Strukturen) mit numerischen Simulationen reproduziert werden. AIDA-Experimenten unter Cirrusbedingungen mit dem neuen Particle Habit Imager and Polar Scattering (PHIPS-POL) Messgerät zeigten, dass der Asymmetrieparameter von Eispartikeln mit Größen bis ca. 70 µm beim erneuten Wachsen nach einer Sublimationsphase im Mittel um 0.03 kleiner war als während der ersten Wachstumsphase. Darüber hinaus wurde der individuelle Einfluss von Temperatur und relativer Luftfeuchte auf den Asymmetrieparameter charakterisiert.
Neben Wolkenkammer-Experimenten wurden während einer mehrwöchigen Feldmesskampagne auf dem antarktischen Plateau Größe, Konzentration und morphologische Komplexität bodennaher Eispartikel auf Dome C mit Größen zwischen 11 µm und 150 µm gemessen. Diese Messungen zeigten, dass Eisnebelereignisse auf Dome C eine höhere Eispartikelkonzentration und eine kleinere Größenmode haben als Cirrus-Niederschlag und Niederschlag bei klarem Himmel. Die Eispartikelkonzentration während Eisnebelereignissen auf dem Antarktischen Plateau lag mit einem Mittelwert von 1.0 L−1 niedriger als bei anthropogen beeinflussten Eisnebelereignissen in Fairbanks, Alaska, mit einem Mittelwert von 7.7 L−1. Hingegen hatten die in Fairbanks gemessenen Eispartikel einen höheren Grad morphologischer Komplexität.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Wachstumsbedingungen die Morphologie und damit die optischen Eigenschaften von kleinen Eispartikeln entscheidend prägen. Dies liefert wichtige Grundlagen zur Verbesserung von Fernerkundungsalgorithmen und für die Parametrisierung in Klimamodellen.

Cirrus clouds are among the most common cloud types globally and play a crucial role as drivers of Earth’s climate system. They have a cooling contribution through the reflection of the short wave solar radiation, while simultaneously exerting a warming effect by reflecting the long wave terrestrial radiation. To describe cirrus cloud radiative properties in climate models, a comprehensive understanding of the microphysical and optical properties of ice particles is essential. Although ice particles with sizes below 70 µm are abundant in cirrus clouds, the precise relationship between their morphological and optical properties remains unclear.
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This work investigates the effect of the growth conditions on the particle size and morphological complexity of cloud chamber-grown ice particles and inland Antarctic boundary layer ice particles, with sizes predominantly below 70 µm. Furthermore, the resulting influence on their optical properties is analysed.
Cloud chamber experiments were conducted at the Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) cloud simulation chamber at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) to study ice particles at specific atmospheric conditions in detail. The measured linear depolarisation ratio of ice particles with sizes between 10 µm and 70 µm was below 0.3, which is lower than typical values of mid-latitude atmospheric LIDAR measurements, but consistent with polar observations. In addition, two distinct temperature dependent modes in the relationship between linear depolarization ratio and particle size were found. The measurement results were compared to different numerical simulations, which showed good agreement to the measurement data when different types of morphological complexity (surface roughness, internal scattering, and hollowness) were incorporated into the used optical particle model.
By targeted AIDA experiments with the new Particle Habit Imager and Polar Scattering probe (PHIPS-POL) at cirrus conditions, it was further observed that the asymmetry parameter of ice particles with sizes predominantly below 70 µm decreased by a mean of 0.03 during particle regrowth in comparison to the initial growth period. Furthermore, it is shown that the growth temperature and relative humidity individually influence the asymmetry parameter.
Besides cloud chamber experiments, the size, shape, concentration, and smallscale morphological complexity of boundary layer ice particles with sizes between 11 µm and 150 µm were measured during multi-week field observations at Dome C. It is found that ice fog events at Dome C are characterised by a smaller particle size mode and an increased mean particle concentration compared to diamond dust and cirrus precipitation events. In addition, the observed ice fog events on the Antarctic plateau had a lower mean particle concentration of 1.0 L−1 and consisted of more pristine ice particles compared to polluted ice fog events observed in Fairbanks, Alaska, with a mean particle concentration of 7.7 L−1.
The results of this work demonstrate how the morphological properties of small ice particles depend on their growth conditions and how these, in turn, influence their optical properties. The findings can be used to support the optimisation of the retrieval algorithms of remote sensing ice cloud measurements. Moreover, they can improve the microphysical and optical parametrisations of cirrus clouds in climate models.