Teilprojekt IMK-AAF

FKZ 07ATF04 (AFO2000) - Mehrphasenprozesse in der polaren Stratosphäre: In situ
Messungen und Simulationen (POSTA)
Ergebnisbericht 2003 für das Teilprojekt „Aerosolkammeruntersuchungen zum polaren stratosphärischen Aerosol: Einfluss von p,T-Änderungen auf Zusammensetzung
und Aggregatzustand der Partikel“
Ottmar Möhler, Olaf Stetzer, Robert Wagner, Ulrich Schurath
Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe
Zur Untersuchung der Nukleation von Salpetersäurehydraten unter stratosphärischen Bedingungen
wurde die mit trockener Luft befüllte AIDA zunächst auf eine vorher festgelegte Temperatur abgekühlt. Geeignete Temperaturen zum Experimentieren wurden zuvor durch Modellrechnungen ermittelt
und zeichnen sich unter anderem durch hohe Übersättigungen bezüglich der Salpetersäurehydrate
aus. Anschließend wurde eine Mischung aus Salpetersäure- und Wasserdampf eingeleitet. Beim Einleiten in die kalte AIDA bildet sich durch homogene Nukleation ein Aerosol aus flüssigen, unterkühlten
Salpetersäuretröpfchen, deren Zusammensetzung einer polaren Stratosphärenwolke ähnelt. Die Zusammensetzung (zu Beginn ca. 45 gew.-% Salpetersäure) und Gesamtmasse der Tröpfchen wurde
aus FTIR-Spektren abgeleitet, die während der Experimente gemessen wurden. Durch den Fluss von
Wasser- und Salpetersäuredampf zur Wand nimmt die Gesamtmasse ab, während sich die Zusammensetzung zu höher konzentrierter Salpetersäure verändert. Dadurch steigt auch die Übersättigung
bzgl. des Hydrates NAD. Bei einigen Experimenten konnte nach einigen Stunden die Entstehung von
festen NAD-Partikeln im FTIR-Spektrum identifiziert werden. T-Matrix-Rechnungen zeigen, dass die
NAD-Partikel im Laufe der Zeit zunehmend asphärischer werden. Dies ist die erste Information über
die Form von NAD-Partikeln unter stratosphärischen Bedingungen. Synchron zur NAD-Bildung wurde
in der mit einem optischen Partikelspektrometer gemessenen Größenverteilung die Entstehung einer
zweiten größeren Partikelmode nachgewiesen. Die Zusammensetzung der Partikel wurde zusätzlich
mit dem Aerosol-Kompositions-Massenspektrometer des MPI-K HD gemessen.
Erste Abschätzungen ergeben, dass die gemessenen Partikel- und Massenkonzentrationen der NADPartikel besser mit dem Mechanismus dem volumenbasierten Nukleationsmechanismus als mit dem
von A. Tabazadeh postulierten oberflächenbasierten Mechanismus übereinstimmen.
Optische Konstanten von ternären Lösungströpfchen aus Schwefel- und Salpetersäure werden z.B.
zur Bestimmung von Aerosolparametern (Zusammensetzung, Masse) aus Fernerkundungs- und
Kampagnendaten (z.B. MIPAS-B-Daten unserer Kampagnen-Partnern) benötigt. Daher wurden in der
AIDA-Kammer einige Experimente mit ternären Lösungströpfchen unter stratosphärischen Bedingungen durchgeführt. Das ternäre Aerosol wurde durch Hydrolyse von N2O5 (aus der in situ Reaktion von
NO2 mit einem großen Überschuss an Ozon) an einem Schwefelsäure-Aerosol hergestellt. Die Spektren wurden mittels Mie-Theorie gefittet, wobei zur Berechnung der Spektren eine kürzlich publizierte
Mischungsregel (Norman et al.) verwendet wurde. Als Eingangsdaten dienten optische Konstanten
von Niedziela et al. für reine Schwefel- und Salpetersäure. Die Mie-Fits stimmten gut mit den gemessenen Spektren überein. Auch die aus den Fits bestimmten Aerosolparameter stimmten im Rahmen
der Fehlergrenzen mit den durch komplementäre Methoden ermittelten Parametern überein.