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Vertical distribution of aerosols above the Atlantic Ocean, Punta Arenas (Chile), and Stellenbosch (South Africa). Characterization, solar radiative effects and ice nucleating properties
Kanitz, Thomas
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Lidarmessungen während dreier meridionaler Transatlantikfahrten des Forschungsschiffs Polarstern durchgeführt. Die Fahrten umfassten einen Zeitraum von insgesamt vier Monaten und eine Strecke von etwa 40000 km. Zusätzlich wurde das Lidar stationär für jeweils vier Monate in Punta Arenas (Chile) und Stellenbosch (Südafrika) betrieben. Der entstandene Datensatz wurde hinsichtlich dreier Themen untersucht. Im ersten Thema wurden die bestimmten Aerosolprofile analysiert. So wurde reiner Saharastaub und Staub gemischt mit Biomasse-Verbrennungsaerosol an der Westküste Nordafrikas beobachtet. Erstmalig konnten Staubfahnen aus der patagonischen Wüste mit Lidar charakterisiert werden. Unerwarteterweise ergab sich die Möglichkeit, Vulkanascheschichten vom Ausbruch des Eyjafjallajökull zu untersuchen. Ein deutlicher Unterschied in der meridionalen Verteilung von Aerosolschichten in der freien Troposphäre wurde gefunden. Dabei wurden die höchsten optischen Dicken in den nördlichen Tropen bestimmt, die durch hohe Staubemissionen der Sahara zustande kommen. Die niedrigsten Aerosolkonzentrationen in der freien Troposphäre wurden in den südlichen mittleren Breiten gefunden. Während die abgehobenen Aerosolschichten in der freien Atmosphäre in Höhen von bis zu 5km beobachtet wurden, betrug die mittlere Höhe der maritimen Grenzschicht etwa 0.4-0.9 km. Ihre optische Dicke betrug unabhängig vom Breitengrad rund 0.05. Die schiffsgebundenen Lidarmessungen wurden mit satellitengebundenen Messungen verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung gefunden wurde. Die vertikale Aerosolverteilung ist eine notwendige Information um den direkten Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshalt der Erde zu bestimmen. Im zweiten Teil wurden die Vertikalprofile und die mit Lidar ermittelten optischen Eigenschaften für Strahlungstransportrechnungen verwendet. Die Ergebnisse wurden mit Strahlungsmessungen am Boden und vom Satelliten verglichen. Die Übereinstimmung aller verfügbaren Messungen war hierbei an der Unterkante der Atmosphäre am besten. Eine meridionale Untersuchung hat gezeigt, dass der solare Aerosoleffekt der maritimen Grenzschicht unabhängig von der geographischen Breite ist. In der freien Troposphäre entspricht die Verteilung des solaren Strahlungseffekts von Aerosolen der meridionalen Verteilung der optischen Dicke und zeigt die stärksten Effekte in den nördlichen Tropen. Aerosole üben ebenfalls einen indirekten Strahlungseffekt aus, da sie die mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken beeinflussen. Einer dieser Prozesse ist die heterogene Eisbildung in unterkühlten Wasserwolken. Mithilfe der Messungen in den südlichen mittleren Breiten (Punta Arenas, 53° S) und vorangegangenen Messungen in den nördlichen mittleren Breiten (Leipzig, 51° N) konnte erstmals der Aerosoleffekt unter verschiedenen Aerosolbedingungen, aber vergleichbaren meteorologischen Bedingungen im dritten Teil dieser Arbeit untersucht werden. Weniger als 20% und rund 70% der beobachteten Wolken mit Oberkantentemperaturen von -15 bis 20 °C zeigten Eisbildung über Punta Arenas bzw. Leipzig. Die starke Differenz zwischen den Beobachtungen wurde durch den Unterschied der Aerosol- und somit Eisnukleationskeimquellen in beiden Hemisphären erklärt.
In the framework of this thesis lidar measurements were performed aboard the research vessel Polarstern during three meridional transatlantic cruises. The shipborne measurements cover a period of four months and a distance of about 40000 km. In addition, the lidar was operated in Punta Arenas (Chile) and Stellenbosch (South Africa) each time for four month. The established data set offered the opportunity to work on three topics. Within the first topic the vertical distribution of aerosols was analyzed. Pure and mixed layers of Saharan dust were observed at the west coast of North Africa. For the first time, plumes of Patagonian desert dust were characterized with lidar. Unexpectedly, layers of volcanic ash from the Eyjafjallajökull eruption in 2010 could be investigated, too. A distinct difference in the meridional distribution of aerosol layers in the free troposphere was found. The highest optical thickness was determined in the northern tropics, which is related to the dust emissions of the Saharan desert. The lowest aerosol load in the free troposphere was found in the southern midlatitudes. While lofted layers were observed up to 5km height in the free troposphere, the marine boundary layer extended up to about 0.4-0.9 km. The aerosol optical thickness of the boundary layer was about 0.05, independent of the latitude. In a comparative study the shipborne lidar measurements showed a good agreement to spaceborne lidar measurements. The information of the aerosol vertical distribution is a key parameter in modeling the direct effect of aerosols on the Earth's radiation budget. The vertical profiles of lidar-derived particle optical properties were used as input for radiative-transfer calculations in the framework of the second topic. The simulation results were compared to irradiance measurements at the surface and with satellite. The best agreement for all simulations was found for cloud-free conditions at the surface. A meridional analysis showed that the solar aerosol radiative effect is related to the corresponding meridional distribution of the aerosol optical thickness. While the solar aerosol radiative effect of the marine boundary layer was independent from the latitude, the effect of free-tropospheric aerosol was highest in the northern tropics. Aerosols also indirectly influence the radiation budget by affecting cloud microphysics. One of these effects is the heterogeneous ice formation in supercooled water clouds. Within the third topic, for the first time, this aerosol effect was investigated under different aerosol conditions but comparable meteorological conditions by the use of observations in the southern midlatitudes (Punta Arenas, 53° S) and a previous study in the northern midlatitudes (Leipzig, 51° N). Less than 20% and around 70% of the cloud layers with cloud top temperatures from -15 to -20 °C showed ice formation over Punta Arenas and Leipzig, respectively. More than 90% of the cloud layers contained ice over Leipzig at temperatures from -25 to -30 °C, whereas this level was not reached at Punta Arenas before cloud top temperatures were below -35 °C. The strong contrast found in the cloud observations over Leipzig and Punta Arenas is obviously related to the rather different aerosol conditions at the polluted site in the northern hemisphere and the rather clean maritime site south of 50° S.
