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.

Antarctic Volcanic Flux Ratios from Law Dome Ice Cores

Explosive volcanic eruptions can inject large quantities of sulphur dioxide into the stratosphere. The aerosols that result from oxidation of the sulphur dioxide can produce significant cooling of the troposphere by reflecting or absorbing solar radiation. It is possible to obtain an estimate of the relative stratospheric sulphur aerosol concentration produced by different volcanoes by comparing sulphuric acid fluxes determined by analysis of polar ice cores. Here, we use a non-sea-salt sulphate time series derived from three well-dated Law Dome ice cores to investigate sulphuric acid flux ratios for major eruptions over the period AD 1301-1995. We use additional data from other cores to investigate systematic spatial variability in the ratios. Only for the Kuwae eruption (Law Dome ice date AD 1459.5) was the H2SO4 flux larger than that deposited by Tambora (Law Dome ice date AD 1816.7).

Stable-Isotope and Trace Element Time Series from Fedchenko Glacier (Pamirs) Snow/Firn Cores

In summer 2005, two pilot snow/firn cores were obtained at 5365 and 5206 m a.s.l. on Fedchenko glacier, Pamirs, Tajikistan, the world's longest and deepest alpine glacier. The well-defined seasonal layering appearing in stable-isotope and trace element distribution identified the physical links controlling the climate and aerosol concentration signals. Air temperature and humidity/precipitation were the primary determinants of stable-isotope ratios. Most precipitation over the Pamirs originated in the Atlantic. In summer, water vapor was re-evaporated from semi-arid regions in central Eurasia. The semi-arid regions contribute to non-soluble aerosol loading in snow accumulated on Fedchenko glacier. In the Pamir core, concentrations of rare earth elements, major and other elements were less than those in the Tien Shan but greater than those in Antarctica, Greenland, the Alps and the Altai. The content of heavy metals in the Fedchenko cores is 2-14 times lower than in the Altai glaciers. Loess from Afghan-Tajik deposits is the predominant lithogenic material transported to the Pamirs. Trace elements generally showed that aerosol concentration tended to increase on the windward slopes during dust storms but tended to decrease with altitude under clear conditions. The trace element profile documented one of the most severe droughts in the 20th century.

Composition of aerosols collected in the Western Russian Arctic in August-September 1991

In August-September 1991 during the SPASIBA expedition (Scientific Program on the Arctic and Siberian Aquatorium) aboard R/V Yakov Smirnitzky in the Laptev Sea ten samples of aerosols were collected by nylon nets. A combined approach including various analytical techniques, such as single-particle analysis, instrumental neutron activation analysis, and atomic absorption spectrophotometry, was used to study composition of the samples. Mass concentration of coarse-grained (>0.001 mm) insoluble fraction of aerosols ranged from 80 to 460 ng/m**3. In all the samples remains of land vegetation were found to be the dominant component. Organic carbon content of the aerosols ranged from 23 to 49%. Inorganic part of the samples was represented mainly by alumosilicates and quartz. Anthropogenic ''fly ash'' particles were observed in all the samples. Temporal variations of element concentrations resulted from differences in air masses entering the studied area.

Lignin, phenols, and some chemical elements in aerosols and bottom sediments from the Tropical North Atlantic

A study of composition of biomarkers (lignin and phenols) in aerosols and bottom sediments from the Tropical North Atlantic was carried out. It was shown that organic matter of aerosols was mostly composed of products of terrestrial plants (arboreal fibers, pollen, and spores). Biomarker composition in the aerosols and in the bottom sediments was practically similar, which proved delivery of terrigenous organic matter to the ocean via the atmosphere.

Aerosols over the East Atlantic in spring and summer 2001

Data on the concentration and mineral composition of aerosols collected by nets in Cruise 18 of R/V Akadernik Fedorov on a submeridional section in the East Atlantic are presented. An empirical curve for calculating efficiency factor of a net is given for different concentrations of mineral part of aerosols. Fluxes of lithogenic part of aerosols to the sea surface are calculated. A comparison of lithogenic fluxes from the atmosphere and in the water column of the ocean showed that values of fluxes practically coincide in areas with dominating supply of dry atmospheric material. These fluxes strongly differ in the intratropical convergence zone, where deposition of aerosols depends on atmospheric precipitation, or in regions, where sedimentary material is supplied to the ocean mainly by river run-off. Residence time of aerosol lithogenic matter in the euphotic layer is calculated.

Mineralogy and geochemistry of aerosols from the Western Pacific

Aerosols collected by net method over the Western Pacific were investigated. Distribution of eolian material, its mineral and chemical compositions are controlled by the climatic and circumcontinental zonalities. It was stated that Fe and Mn were bound with mineral components of aerosols, while trace elements are bound with organogenic matter. Fluxes of aerosols and their components on the ocean surface were determined.

Aerosols in the Arctic

In this monograph on the basis of materials obtained by the author and his colleagues in Arctic expeditions of 1991-2005 and of published data results of studies effect of aerosols on environmental conditions and marine sedimentation in the Arctic are summarizes. Processes of aeolian transport and transformation of sedimentary material from sources to places of its accumulation in bottom sediments are described. Results of this study can be used to assess current state of ecosystem of Arctic seas and as a background for evaluation of possible human impact on nature during exploration of mineral resources of the Arctic shelf. For oceanographers, geochemists, geoecologists.

Estudo do aerossol (poeira do Sara) na região de Cabo Verde

No âmbito do projeto CV-DUST foi desenvolvida uma campanha de medição do aerossol atmosférico na Cidade da Praia (14° 55’ N, 23°29’ W), de janeiro de 2011 a janeiro de 2012. A concentração do aerossol foi determinada com base no método gravimétrico, com a amostragem feita em termos de PM10 e em frações granulométricas, usando impactores. Complementarmente, foi usado um contador ótico de partículas que permite a monitorização em contínuo e a classificação do número de partículas em 31 frações de tamanho na gama entre 0,25 e 32 μm. A composição química do aerossol foi determinada com incidência nos seguintes componentes: iões inorgânicos solúveis em água (Cl-, NO3-, SO42-, Na+, NH4+, K+, Mg2+ e Ca2+), carbonato total, elementos maioritários da crosta (Si, Na, Al, Fe, Ca, Mg, K, Ti e Mn) e elementos vestigiais (Ba, Zn, Zr, Pb, Cu, Ce, Ni, Cr, V, Co, Sc, As, Sm e Sb), assim como a fração carbonácea (carbono elementar – EC e o carbono orgânico - OC). Durante a campanha, a concentração de PM10 apresentou uma grande variabilidade temporal, com valores médios (à escala diária) situados entre 10 μg/m3 e 507 μg/m3, sendo a concentração média anual estimada em cerca de 59 μg/m3. As concentrações mais elevadas (tipicamente acima dos 100 μg/m3) foram registadas durante os eventos de poeira proveniente do Norte de África, sendo os mais intensos observados nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro de 2011. Os registos do contador ótico, feitos em intervalos de 5 min, revelaram que durante os eventos de poeira as concentrações médias horárias das partículas PM10 e PM2.5 podem ultrapassar os 700 μg/m3 e 200 μg/m3, respetivamente. Com base nos resultados do método ótico, as contribuições das frações granulométricas PM1, PM(1-2.5) e PM(2.5-10) para a massa de PM10 foram estimadas em cerca de 11 %, 28 % e 61 %, respetivamente. A composição química do aerossol varia consideravelmente ao longo do ano e revela a predominância das partículas minerais e do sal marinho. Com base em cálculos do balanço mássico das espécies químicas, as contribuições dos dois constituintes maioritários para a massa de PM10 foram estimadas em cerca de 47 % (partículas minerais) e 17 % (sal marinho). O aerossol secundário (NO3-, NH4+ e fração não marinha do SO42) e o aerossol carbonáceo (EC + OC) contribuem cada um com cerca de 4 % e 3 %, respetivamente. A fração mássica restante (cerca de 29 %), corresponde aos constituintes não analisados, podendo a água ser a mais importante neste grupo. A análise química das amostras segregadas por tamanho revela a seguinte composição para as partículas PM1, PM(1-2.5) e PM(2.5-10): 5,2, 11,8 e 20,7 % (constituintes do sal marinho); 8,6, 3,7 e 3,1 % (iões secundários); 8,9, 1,5 e 1,3 % (EC + OC).