Neues Projekt zur Wolkenforschung

… an der deutschen Antarktisstation Neumayer-III gestartet.

In den kommenden 12 Monaten wird zum ersten Mal die vertikale Verteilung von Aerosolpartikeln und Wolken in der Atmosphäre über der deutschen Neumayer-Station III des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) vom Boden aus beobachtet. Die höhenaufgelösten Messungen sind die ersten dieser Art im Königin-Maud-Land auf der atlantischen Seite der Antarktis und damit in einem Gebiet größer als Grönland.

Zum Einsatz kommt dabei die Messplattform OCEANET-Atmosphere des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), die bereits bei der internationalen MOSAiC-Expedition auf dem AWI-Forschungseisbrecher Polarstern für ein ganzes Jahr in der Arktis unterwegs war und nun bis 2024 in der Antarktis betrieben wird.

Das einmalige Set an Laser- und Radar-Messgeräten wurde Anfang 2023 installiert und an Neumayer III in Betrieb genommen. Die Messungen werden im Rahmen des Projekts COALA (Kontinuierliche Beobachtungen von Aerosol-Wolken-Interaktionen in der Antarktis) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und in enger Kooperation mit dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) durchgeführt.

Der Antarktische Kontinent als weltgrößter Süßwasserspeicher und das angrenzende Südpolarmeer sind Schlüsselkomponenten des sich ändernden globalen Klimasystems. Trotzdem gelingt es Wetter- und Klimamodellen bisher noch nicht, Prozesse wie Wolkenbedeckung, Niederschlag und Strahlungsbudget in dieser Region zufriedenstellend abzubilden. Diese Ungenauigkeiten führen dazu, dass Faktoren wie Oberflächentemperatur des Ozeans, Energieaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre oder die Schneemengen falsch eingeschätzt werden. Wissenschaftlern fehlen genaue Referenzdaten zur Wolkenbildung in der sauberen Atmosphäre dieser relativ unbewohnten Region. „Sauber“ bedeutet dabei, dass Aerosolpartikel, also kleinste luftgetragene Partikel wie Seesalz, Wüstenstaub, industrielle Luftverschmutzung oder Rauch, nur in sehr geringen Mengen auftreten. Eine besondere Herausforderung für die Forschenden stellt der ungewöhnlich hohe Anteil von unterkühlten Wassertropfen in den Wolken über der Antarktis dar. Flüssiges Wasser tritt in Wolken bei Temperaturen zwischen -38°C und 0°C nur auf, wenn die zur Vereisung der Wolkentropfen nötigen Eiskeime – eine spezielle Unterart der atmosphärischen Aerosolpartikel – fehlen. Deshalb stehen Aerosolpartikel und die damit verbundenen Eisbildungsprozesse derzeit im Fokus der Wolkenforschung.

Im Gegensatz zur Nordhemisphäre mit mehr Landmassen und entsprechend höherer Bevölkerungszahl gibt es um die Antarktis vergleichsweise wenige Quellen für Aerosolpartikel. Ferntransport könnte deshalb eine wichtige Rolle spielen, ist aber bisher kaum untersucht. Dass der Rauch der Waldbrände in Sibirien 2019 auch noch im folgenden Winter über der zentralen Arktis schwebte, war ein unerwartetes Ergebnis der MOSAiC-Expedition. „Dank unserer Messungen wurde klar, dass diese Partikel die Atmosphäre in den Polargebieten sehr lange beeinflussen können. 2019/20 konnten wir den Rauch der großen Waldbrände in Australien auch noch auf der anderen Seite des Pazifiks in Chile registrieren. Doch wieviel von diesem Rauch oder von Aerosolpartikeln aus anderen Quellen gelangt bis in die Antarktis? Das kann momentan niemand sagen. Wir hoffen, dass wir durch die Messungen an Neumayer III diese Wissenslücke schließen können“, erläutert Dr. Patric Seifert vom TROPOS.

Flugzeugmessungen sind in dieser abgelegenen Region selten und können immer nur eine Momentaufnahme sein. Mit Satelliten lassen sich diese kleinskaligen Aerosol-Wolken-Interaktionsprozesse dort ebenfalls kaum mit der nötigen Genauigkeit erfassen. Doch bodengestützte, vertikal aufgelöste Langzeitbeobachtungen von Aerosol, Wolken und Niederschlag in der Antarktis sind bisher selten. „Nach unseren Recherchen hat es in der riesigen Antarktis bisher nur 13 Monate lang koordinierte zusammenhängende Messungen mit Wolkenradar und Aerosol-Lidar gegeben und auch nur auf der anderen Seite der Antarktis – im 3500 km entfernten Teil der Antarktis, der an den Pazifik grenzt. Im Gegensatz zu Neumayer III steht die US-Station McMurdo auf Fels statt auf Schelfeis, was auch noch einen großen Unterschied macht“, unterstreicht Dr. Ronny Engelmann vom TROPOS, der die Messplattform OCEANET-Atmosphere betreut und dadurch auch bei der internationalen MOSAiC-Expedition in der Arktis auf dem ersten Fahrtabschnitt dabei war. OCEANET-Atmosphere ist ein autonomer, polar-erprobter, modifizierter 20-Fuss-Messcontainer, vollgestopft mit modernstem Equipment zur Atmosphärenbeobachtung. Aktuell ist es die einzige polare Einzelcontainer-Plattform, die mit Mehrwellen-Lidar, Radar und Mikrowellenradiometer Aerosole, Wolken und Niederschlag sowie mit Doppler-Lidar und -Radar turbulente Luftbewegungen in Wolken beobachten kann.

Im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes COALA wurde dieser Container jetzt im antarktischen Sommer mit dem deutschen Forschungseisbrecher Polarstern antransportiert und auf einer festen Messplattform in der Nähe der Forschungsstation Neumayer III auf dem Ekström-Schelfeis rund 4000 km südlich von Kapstadt installiert. OCEANET tritt damit sozusagen in die Fußstapfen des internationalen EDEN-ISS-Projekts, das an dieser Stelle 2018 ein Containersystem mit Gewächshausversuchen zur Verpflegung im All betrieben hatte. Anfang 2023 haben die beiden TROPOS-Forscher Ronny Engelmann und Martin Radenz ihre Messgeräte in Betrieb genommen. Inzwischen tastet erstmals der grüne Laser eines Mehrwellen-Lidars die Atmosphäre über Neumayer III ab. Ein Lidar, auch als „Licht-Radar“ bezeichnet, sendet kurze Laser-Pulse vom Boden aus in die Atmosphäre und empfängt das zurückgestreute Licht mit einem Spezialempfänger. Aus der Laufzeit, Intensität und Polarisation der zurückgestreuten Signale lassen sich Informationen über Höhe, Menge und Art der Staubpartikel in der Atmosphäre ableiten. Ronny Engelmann ist nach dem Aufbau bereits zurück in der Heimat. Sein Kollege Martin Radenz dagegen wird im Eis bleiben: „Um die Qualität der Messungen außerhalb der sehr kurzen Sommersaison zu sichern und den ganzen Jahresgang abzubilden, gibt es kaum Alternativen als vor Ort zu bleiben. Für einen regelmäßigen Austausch des Personals im Winter wie bei MOSAiC ist die Station schlicht zu abgeschieden. Eine Herausforderung, auf die wir dank der Erfahrungen vom AWI gut vorbereitet worden sind“, berichtet Dr. Martin Radenz, der zum 10köpfigen Team gehört, das 2023 auf der Neumayer-Station III überwintern wird.

Bereits seit Dezember 2019 werden am Spurenstoff-Observatorium der Neumayer-Station III mit Leipziger Unterstützung zwei Parameter gemessen, die Auskunft über die Wolkenbildung geben: die Konzentrationen an Wolkenkondensationskeimen und Eisnukleationskeimen. Diese kontinuierlichen Messungen erlauben Rückschlüsse auf die jahreszeitlichen Änderungen der Bewölkung. „Wir sehen einen ausgeprägten Jahresgang mit um Faktor zehn höheren Werten an Wolkenkondensationskeimen im Sommer.“, sagt Dr. Silvia Henning vom TROPOS, die diese Messungen in Kooperation mit dem AWI betreut. Zusammen mit Fernerkundungsmessungen entsteht so ein umfassender Datensatz, der Aerosol-Wolken-Interaktion vom Boden bis in die Stratosphäre charakterisiert. „Mit den OCEANET-Instrumenten heben wir die Möglichkeiten der Wolkenforschung auf ein neues Niveau“, betont Martin Radenz und bezieht sich auf die Fähigkeiten von Doppler-Lidar und Doppler-Radar, die Luftbewegungen in der Atmosphäre beobachten zu können. „Denn bisher fand in nur wenigen Studien Beachtung, dass auch die Turbulenz der Atmosphäre einen wichtigen Einfluss auf die Bildung von Wolken und auf die Entstehung von Wassertropfen bei Temperaturen von unter 0°C haben kann. Vertikalwinde sind ein weiteres unerlässliches Element, um die Transformation von Aerosolpartikeln und Wasserdampf hin zu Wolken, Eisbildung und Niederschlag beschreiben zu können.“

Im Rahmen des DFG-Transregios „Arktische Klimaerwärmung“ untersucht TROPOS seit 2016 zusammen mit der Universität Leipzig Wolken in der Arktis. Daneben sind in den letzten Jahren die Prozesse in der Südhemisphäre ebenfalls in den Fokus geraten: 2016/17 waren Wolkenforschende aus Leipzig bei der internationalen Antarktisumrundung ACE dabei. 2018-2021 fanden umfangreiche Messungen im Süden Chiles statt und für 2025 wird derzeit eine große Messkampagne in Neuseeland geplant. Das neue Projekt an der deutschen Antarktisstation ist dafür ein Meilenstein: „Dass ein Messsystem sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis überwintert, ist international ein Novum und für uns eine großartige Chance, mehr über die Unterschiede zwischen der relativ verschmutzten Nordhemisphäre und der relativ sauberen Südhemisphäre herauszufinden. Möglich wurde das vor allem durch die langjährige Kooperation mit dem Alfred-Wegner-Institut und die Förderung durch Bund, Land und Deutscher Forschungsgemeinschaft, denen unser Dank gilt“, erklärt Prof. Andreas Macke, Direktor des TROPOS. Die jetzt gestarteten Messungen an der Neumayer-Station III sollen später mit bereits vorhandenen Datensätzen aus Südchile, Zypern, Deutschland und der Arktis verglichen werden und neue Erkenntnisse liefern, weshalb die Wolken im äußersten Süden sich so stark von denen auf der Nordhemisphäre unterscheiden. Tilo Arnhold

Kontakte für die Medien:

Dr. Martin Radenz
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Fernerkundung atmosphärischer Prozesse, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel. z.Z. nur via Email erreichbar
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/martin-radenz
und
Dr. Ronny Engelmann / Dr. Patric Seifert
Wissenschaftliche Mitarbeiter, Abteilung Fernerkundung atmosphärischer Prozesse, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel.: +49 341 2717-7315, -7080
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/ronny-engelmann
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/patric-seifert
sowie
Prof. Dr. Andreas Macke
Direktor und Abteilungsleiter, Abteilung Fernerkundung atmosphärischer Prozesse, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig
Tel. +49 341 2717-7060
https://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/andreas-macke

oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49 341 2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/
und
Nils Ehrenberg, AWI-Pressestelle
Tel. +49 471 4831-2008
https://www.awi.de/ueber-uns/organisation/kommunikation-und-medien.html

Weitere Informationen und Links:

Aktuelle Lidar-Daten aus der Antarktis:
Polly Arielle @ AWI antarctic station Neumayer III
https://polly.tropos.de/calendar/location/49?&individual_page=2023

Blog:
COALA 2022 – 2023
https://www.tropos.de/aktuelles/messkampagnen/blogs-und-berichte/coala-2022-2023

TROPOS-Pressemitteilungen zu Antarktis & Arktis:
Deutsche Forschende in Neuseeland auf den Spuren der Klimaveränderung (18.11.2022)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/deutsche-forschende-i…
Aufwinde entscheidend – Wolken in der Südhemisphäre genauer verstanden (26.01.2022)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/aufwinde-entscheidend…
Klimawandel und Waldbrände könnten Ozonloch vergrößern (21.01.2022)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/klimawandel-und-waldb…
Einmaliger Blick in die „neue Arktis“: Internationale MOSAiC-Expedition erfolgreich beendet (12.10.2020)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/einmaliger-blick-in-d…
In 90 Tagen um den Südpol (16.12.2016)
https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/in-90-tagen-um-den-su…

Neumayer-Station III in der Antarktis
Neumayer-Station III
https://www.awi.de/expedition/stationen/neumayer-station-iii.html
Neumayer-Station III – Das Meteorologie-Observatorium
https://www.awi.de/forschung/langzeitbeobachtung/atmosphaere/antarktis-neumayer/…
Neumayer-Station III – Das Spurenstoff Observatorium („Spuso“)
https://www.awi.de/forschung/langzeitbeobachtung/atmosphaere/antarktis-neumayer/…
Antarktis-Blog: AtkaXpress
https://blogs.helmholtz.de/atkaxpress/

Förderung:
DFG-Projekt COALA (Kontinuierliche Beobachtungen von Aerosol-Wolken-Interaktion in der Antarktis)
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/463307613
DFG-Projekt VACCINE+ (Variation der antarktischen Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Konzentrationen und Eigenschaften an Neumayer III im Vergleich zu deren Werten in der Arktis an der Forschungsstation Villum (VACCINE+))
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/442925270?language=de

Publikationen:

Wendisch, M., Brückner, M., Crewell, S., Ehrlich, A., Notholt, J., Lüpkes, C., Macke, A., Burrows, J. P., Rinke, A., Quaas, J., Maturilli, M., Schemann, V., Shupe, M. D., Akansu, E. F., Barrientos-Velasco, C., Bärfuss, K., Blechschmidt, A.-M., Block, K., Bougoudis, I., Bozem, H., Böckmann, C., Bracher, A., Bresson, H., Bretschneider, L., Buschmann, M., Chechin, D. G., Chylik, J., Dahlke, S., Deneke, H., Dethloff, K., Donth, T., Dorn, W., Dupuy, R., Ebell, K., Egerer, U., Engelmann, R., Eppers, O., Gerdes, R., Gierens, R., Gorodetskaya, I. V., Gottschalk, M., Griesche, H., Gryanik, V. M., Handorf, D., Harm-Altstädter, B., Hartmann, J., Hartmann, M., Heinold, B., Herber, A., Herrmann, H., Heygster, G., Höschel, I., Hofmann, Z., Hölemann, J., Hünerbein, A., Jafariserajehlou, S., Jäkel, E., Jacobi, C., Janout, M., Jansen, F., Jourdan, O., Jurányi, Z., Kalesse-Los, H., Kanzow, T., Käthner, R., Kliesch, L. L., Klingebiel, M., Knudsen, E. M., Kovács, T., Körtke, W., Krampe, D., Kretzschmar, J., Kreyling, D., Kulla, B., Kunkel, D., Lampert, A., Lauer, M., Lelli, L., von Lerber, A., Linke, O., Löhnert, U., Lonardi, M., Losa, S. N., Losch, M., Maahn, M., Mech, M., Mei, L., Mertes, S., Metzner, E., Mewes, D., Michaelis, J., Mioche, G., Moser, M., Nakoudi, K., Neggers, R., Neuber, R., Nomokonova, T., Oelker, J., Papakonstantinou-Presvelou, I., Pätzold, F., Pefanis, V., Pohl, C., van Pinxteren, M., Radovan, A., Rhein, M., Rex, M., Richter, A., Risse, N., Ritter, C., Rostosky, P., Rozanov, V. V., Donoso, E. R., Saavedra Garfias, P., Salzmann, M., Schacht, J., Schäfer, M., Schneider, J., Schnierstein, N., Seifert, P., Seo, S., Siebert, H., Soppa, M. A., Spreen, G., Stachlewska, I. S., Stapf, J., Stratmann, F., Tegen, I., Viceto, C., Voigt, C., Vountas, M., Walbröl, A., Walter, M., Wehner, B., Wex, H., Willmes, S., Zanatta, M., & Zeppenfeld, S. (2023). Atmospheric and Surface Processes, and Feedback Mechanisms Determining Arctic Amplification: A Review of First Results and Prospects of the (AC)3 Project, Bulletin of the American Meteorological Society, 104(1), E208-E242. Retrieved Jan 26, 2023, from https://journals.ametsoc.org/view/journals/bams/104/1/BAMS-D-21-0218.1.xml
Die Untersuchungen wurden von der Deutschen Forchungsgemeinschaft (DFG, SFB/TRR 172 (Project-ID 268020496), SPP 1294 (HALO) & SPP 2115 (PROM) ) sowie dem Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI, Flüge von Polar 5 & Polar 6) gefördert.

Radenz, M., Bühl, J., Seifert, P., Baars, H., Engelmann, R., Barja González, B., Mamouri, R.-E., Zamorano, F., and Ansmann, A.: Hemispheric contrasts in ice formation in stratiform mixed-phase clouds: disentangling the role of aerosol and dynamics with ground-based remote sensing, Atmos. Chem. Phys., 21, 17969–17994, https://doi.org/10.5194/acp-21-17969-2021, 2021.
Die Untersuchungen wurden gefördert von der Europäischen Kommission (H2020 Research Infrastructures (grant nos. 654109 und 857510)), dem Siebten Rahmenprogramm der EU (grant no. 603445), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, „High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction HD(CP)2“ (grant nos. 01LK1503F, 01LK1502I, 01LK1209C und 01LK1212C)), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Förderungsnummern SE2464/1-1, KA4162/2-1 und 39828502), der EU/Cyprus Research and Innovation Foundation EXCELLENCE/1216/0217, ANID/CONICYT/FONDECYT Iniciación (Förderungsnummer 11181335) und dem deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWK, Förderungsnummer 50EE1721C).

Gong, X., Radenz, M., Wex, H., Seifert, P., Ataei, F., Henning, S., Baars, H., Barja, B., Ansmann, A., and Stratmann, F.: Significant continental source of ice-nucleating particles at the tip of Chile’s southernmost Patagonia region, Atmos. Chem. Phys., 22, 10505–10525, https://doi.org/10.5194/acp-22-10505-2022, 2022.
Die Untersuchungen wurden gefördert von der Europäischen Kommission (Rahmenprogramm Horizon 2020 (grant nos. ACTRIS-2 (654109) und EXCELSIOR (857510), Siebtes Rahmenprogramm (Grant Nr. BACCHUS (603445)), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, grant no. SE2464/1-1, KA4162/2-1), der ANID/FONDECYT (no. 11181335) und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, CLOUD 16 (01LK1601B), EU FP7 ITN-Projekt CLOUD-MOTION (764991)).

Henning, S., Weller, R., Ort, L., Loftfield, J., Schumacher, M., Wex, H., Stratmann, F.: VACCINE — Variation in Antarctic cloud condensation nuclei and Ice nucleating particle concentrations at Neumayer Station III. In: Leibniz Institute for Tropospheric Research (Ed.) Biennial Report / Zwei-Jahresbericht 2020/2021, p. 83-86. Leipzig : Leibniz Inst. for Tropospheric Research, 2022. https://www.tropos.de/fileadmin/user_upload/Aktuelles/Publikationen_Berichte/Ber…
Die Untersuchungen wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projektnummer 442925270).

Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 97 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen.
Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit.
Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 20.500 Personen, darunter 11.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.
Der Gesamtetat der Institute liegt bei 2 Milliarden Euro. Finanziert werden sie von Bund und Ländern gemeinsam. Die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) getragen. Das Institut wird mitfinanziert aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
http://www.leibniz-gemeinschaft.de
https://www.bmbf.de/
https://www.smwk.sachsen.de/

Weitere Informationen:

https://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/neues-projekt-zur-wol…