Global scale investigation of cirrus clouds properties using active and passive sensors

A year of satellite-borne lidar CALIOP data is analyzed and statistics on occurrence and distribution of bulk properties of cirri are provided. The relationship between environmental and cloud physical parameters and the shape of the backscatter profile (BSP) is investigated. It is found that CALIOP BSP is mainly affected by cloud geometrical thickness while only minor impacts can be attributed to other quantities such as optical depth or temperature. To fit mean BSPs as functions of geometrical thickness and position within the cloud layer, polynomial functions are provided. It is demonstrated that, under realistic hypotheses, the mean BSP is linearly proportional to the IWC profile. The IWC parameterization is included into the RT-RET retrieval algorithm, that is exploited to analyze infrared radiance measurements in presence of cirrus clouds during the ECOWAR field campaign. Retrieved microphysical and optical properties of the observed cloud are used as input parameters in a forward RT simulation run over the 100-1100 cm-1 spectral interval and compared with interferometric data to test the ability of the current single scattering properties database of ice crystal to reproduce realistic optical features. Finally a global scale investigation of cirrus clouds is performed by developing a collocation algorithm that exploits satellite data from multiple sensors (AIRS, CALIOP, MODIS). The resulting data set is utilized to test a new infrared hyperspectral retrieval algorithm. Retrieval products are compared to data and in particular the cloud top height (CTH) product is considered for this purpose. A better agreement of the retrieval with the CALIOP CTH than MODIS is found, even if some cases of underestimation and overestimation are observed.

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

THE HOLOGRAPHIC DETECTOR FOR CLOUDS FROM TRL 5 TO TRL 8

Clouds are one of the most influential elements of weather on the earth system, yet they are also one of the least understood. Understanding their composition and behavior at small scales is critical to understanding and predicting larger scale feedbacks. Currently, the best method to study clouds on the microscale is through airborne in situ measurements using optical instruments capable of resolving clouds on the individual particle level. However, current instruments are unable to sufficiently resolve the scales important to cloud evolution and behavior. The Holodec is a new generation of optical cloud instrument which uses digital inline holography to overcome many of the limitations of conventional instruments. However, its performance and reliability was limited due to several deficiencies in its original design. These deficiencies were addressed and corrected to advance the instrument from the prototype stage to an operational instrument. In addition, the processing software used to reconstruct and analyze digitally recorded holograms was improved upon to increase robustness and ease of use.

UNDERSTANDING TRENDS ASSOCIATED WITH CLOUDS IN IRRADIATED EXOPLANETS

Unlike previously explored relationships between the properties of hot Jovian atmospheres, the geometric albedo and the incident stellar flux do not exhibit a clear correlation, as revealed by our re-analysis of Q0-Q14 Kepler data. If the albedo is primarily associated with the presence of clouds in these irradiated atmospheres, a holistic modeling approach needs to relate the following properties: the strength of stellar irradiation (and hence the strength and depth of atmospheric circulation), the geometric albedo (which controls both the fraction of starlight absorbed and the pressure level at which it is predominantly absorbed), and the properties of the embedded cloud particles (which determine the albedo). The anticipated diversity in cloud properties renders any correlation between the geometric albedo and the stellar flux weak and characterized by considerable scatter. In the limit of vertically uniform populations of scatterers and absorbers, we use an analytical model and scaling relations to relate the temperature-pressure profile of an irradiated atmosphere and the photon deposition layer and to estimate whether a cloud particle will be lofted by atmospheric circulation. We derive an analytical formula for computing the albedo spectrum in terms of the cloud properties, which we compare to the measured albedo spectrum of HD 189733b by Evans et al. Furthermore, we show that whether an optical phase curve is flat or sinusoidal depends on whether the particles are small or large as defined by the Knudsen number. This may be an explanation for why Kepler-7b exhibits evidence for the longitudinal variation in abundance of condensates, while Kepler-12b shows no evidence for the presence of condensates despite the incident stellar flux being similar for both exoplanets. We include an "observer's cookbook" for deciphering various scenarios associated with the optical phase curve, the peak offset of the infrared phase curve, and the geometric albedo.

Inference of inhomogeneous clouds in an exoplaent atmosphere

We present new visible and infrared observations of the hot Jupiter Kepler-7b to determine its atmospheric properties. Our analysis allows us to (1) refine Kepler-7b's relatively large geometric albedo of Ag = 0.35 ± 0.02, (2) place upper limits on Kepler-7b thermal emission that remains undetected in both Spitzer bandpasses and (3) report a westward shift in the Kepler optical phase curve. We argue that Kepler-7b's visible flux cannot be due to thermal emission or Rayleigh scattering from H2 molecules. We therefore conclude that high altitude, optically reflective clouds located west from the substellar point are present in its atmosphere. We find that a silicate-based cloud composition is a possible candidate. Kepler-7b exhibits several properties that may make it particularly amenable to cloud formation in its upper atmosphere. These include a hot deep atmosphere that avoids a cloud cold trap, very low surface gravity to suppress cloud sedimentation, and a planetary equilibrium temperature in a range that allows for silicate clouds to potentially form in the visible atmosphere probed by Kepler. Our analysis does not only present evidence of optically thick clouds on Kepler-7b but also yields the first map of clouds in an exoplanet atmosphere.

Positron bunching and electrostatic transport system for the production and emission of dense positronium clouds into vacuum

We describe a system designed to re-bunch positron pulses delivered by an accumulator supplied by a positron source and a Surko-trap. Positron pulses from the accumulator are magnetically guided in a 0.085 T field and are injected into a region free of magnetic fields through a μ -metal field terminator. Here positrons are temporally compressed, electrostatically guided and accelerated towards a porous silicon target for the production and emission of positronium into vacuum. Positrons are focused in a spot of less than 4 mm FWTM in bunches of ∼8 ns FWHM. Emission of positronium into the vacuum is shown by single shot positron annihilation lifetime spectroscopy.

Using Clouds to Scale Grid Resources: An Economic Model

Infrastructure as a Service clouds are a flexible and fast way to obtain (virtual) resources as demand varies. Grids, on the other hand, are middleware platforms able to combine resources from different administrative domains for task execution. Clouds can be used by grids as providers of devices such as virtual machines, so they only use the resources they need. But this requires grids to be able to decide when to allocate and release those resources. Here we introduce and analyze by simulations an economic mechanism (a) to set resource prices and (b) resolve when to scale resources depending on the users’ demand. This system has a strong emphasis on fairness, so no user hinders the execution of other users’ tasks by getting too many resources. Our simulator is based on the well-known GridSim software for grid simulation, which we expand to simulate infrastructure clouds. The results show how the proposed system can successfully adapt the amount of allocated resources to the demand, while at the same time ensuring that resources are fairly shared among users.