Projektbeschreibung O-MSP-Li

Ziele von O-MSP-Li

Meteor Smoke Partikel (MSP) sind ein wichtiger Faktor für physikalische und chemische Vorgänge in der Stratosphäre. Bislang ist jedoch selbst über grundlegende Aspekte nur wenig bekannt, etwa wo MSP vorkommen, wie sie sich im Verlauf der Jahreszeiten verteilen und wie sie sich von anderen Partikeln in der sogenannten Junge-Schicht (15-25 km über dem Erdboden) unterscheiden. Das Projekt soll einige dieser Forschungslücken schließen, indem ein neues Lidar-Verfahren erprobt und mit bestehenden Methoden kombiniert wird.

Kooperationspartner

• Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP): Dr. Gerd Baumgarten, Dr. Ronald Eixmann
• Universität Greifswald (UG): Prof. Dr. Christian von Savigny

Förderung und Laufzeit des Projekts

• Laufzeit: 2023-2026
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Fördersumme: 310.550 Euro

Hintergrundinformationen zu Meteor Smoke Partikeln

Täglich treffen bis zu 100 Tonnen Material von Meteoriden und kosmischem Staub auf die Erdatmosphäre. Das meiste verdampft bereits in der oberen Atmosphäre, übrig bleiben Meteor Smoke Partikel: wenige Nanometer große Teilchen unterschiedlichster Form und chemischer Zusammensetzung. Vor allem im Winter sinken MSP in die Stratosphäre ab und vermischen sich dort mit Sulfatpartikeln, beispielsweise Vulkanaerosolen. Mit herkömmlichen Lidar-Methoden und Satellitenmessungen sind Meteor Smoke Partikel schwierig zu erfassen und von anderen Bestandteilen der Atmosphäre zu unterscheiden. Ihr Aerosol/Rayleigh-Rückstreuverhältnis beträgt nur etwa 10^-4.

Die Erforschung von Meteor Smoke Partikeln verspricht wichtige Erkenntnisse über das Zusammenspiel der verschiedenen Atmosphärenschichten und über die Bedeutung dieser kleinsten Partikel für den Klimawandel. MSP sind beispielsweise zentral für das Entstehen Leuchtender Nachtwolken. Dieses Himmelsphänomen kam ursprünglich nur in den Polarregionen vor, ist aber mittlerweile im Sommer auch in unseren Breiten zu sehen und wird als Warnsignal für die globale Erwärmung genutzt. 

Forschungsthemen des Projekts O-MSP-Li

1. Durch einzigartige Lidar-Messungen in Norwegen (Insel Andøya, 69° N) und in der Antarktis (Station Davis, 69° S) können wir verfolgen, wie Meteor Smoke Partikel in den Polarwirbeln in die Stratosphäre absinken. Bisher waren Lidar-Messungen von Aerosolen oberhalb der Junge-Schicht nicht möglich. 

Abb.1: Partikel in der Atmosphäre oberhalb der Troposphäre. Beim Eintritt in die Atmosphäre verdampfen Meteore in circa 100 km Höhe, es bilden sich Meteor Smoke Partikel. Diese sinken in die Stratosphäre ab und vermischen sich mit vulkanischen Partikeln, die nach Vulkanausbrüchen von der Erdoberfläche in die Atmosphäre gelangen. Mit Lidar-Instrumenten werden diese klimarelevanten Partikel vermessen. © IAP

2. Wir überprüfen Hinweise auf Meteor Smoke Partikel in früheren und aktuellen Satellitenmessungen, indem wir sie mit Lidar-Beobachtungen abgleichen. Dadurch kann geklärt werden, ob sich MSP mit Satelliten beobachten lassen.  

3. Wir verbessern die Empfindlichkeit der Lidar-Messungen deutlich. Dafür setzen wir in der Polarregion das neuartige Lidarsystem VAHCOLI (Vertical And Horizontal COverage by Lidar) ein. Mit VAHCOLI können Meteor Smoke Partikel in der oberen Stratosphäre und unteren Mesosphäre identifiziert werden. Depolarisationsmessungen erlauben zusätzlich eine Charakterisierung der Partikelform. Wir vergleichen die neuen VAHCOLI-Messungen mit dem ALOMAR-Mehrfarben-Lidar des IAP, einer etablierten Methode der stratosphärischen Aerosolbeobachtung, mit der Partikelgröße und Anzahldichte erfasst werden.

Abb. 2: Jede VAHCOLI-Einheit des Netzwerks arbeitet mit einem großen vertikalen Teleskop und passt in ein Gehäuse von nur 1x1x1 Meter Größe. Vier zusätzliche Teleskope ermöglichen Doppler-Aerosol-Messungen in fünf verschiedene Richtungen gleichzeitig (links: openSCAD-Modell, rechts: VAHCOLI bei der Messung).

4. Wir überprüfen die Aussagekraft des Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) für die Eigenschaften von Meteor Smoke Partikeln, indem wir die Ergebnisse aller verfügbaren Messungen mit Modellsimulationen vergleichen.