Lightning activity in Brazilian thunderstorms during TROCCINOX: implications for NOx production

During the TROCCINOX field experiment in January and February 2005, the contribution of lightning-induced nitrogen oxides (LNOx) from tropical and subtropical thunderstorms in Southern Brazil was investigated. Airborne trace gas measurements (NO, NOy, CO and O-3) were performed up to 12.5 km with the German research aircraft Falcon. During anvil penetrations in selected tropical and subtropical thunderstorms of 4 and 18 February, NOx mixing ratios were on average enhanced by 0.7-1.2 and 0.2-0.8 nmol mol(-1) totally, respectively. The relative contributions of boundary layer NOx (BL-NOx) and LNOx to anvil-NOx were derived from the NOx-CO correlations. on average similar to 80-90% of the anvil-NOx was attributed to LNOx. A Lightning Location Network (LINET) was set up to monitor the local distribution of cloud-to-ground (CG) and intra-cloud (IC) radiation sources (here called 'strokes') and compared with lightning data from the operational Brazilian network RINDAT (Rede Integrada Nacional de Deteccao de Descargas Atmosfericas). The horizontal LNOx mass flux out of the anvil was determined from the mean LNOx mixing ratio, the horizontal outflow velocity and the size of the vertical cross-section of the anvil, and related to the number of strokes contributing to LNOx. The values of these parameters were derived from the airborne measurements, from lightning and radar observations, and from a trajectory analysis. The amount of LNOx produced per LINET stroke depending on measured peak current was determined. The results were scaled up with the Lightning Imaging Sensor (LIS) flash rate (44 flashes s(-1)) to obtain an estimate of the global LNOx production rate. The final results gave similar to 1 and similar to 2-3 kg(N) per LIS flash based on measurements in three tropical and one subtropical Brazilian thunderstorms, respectively, suggesting that tropical flashes may be less productive than subtropical ones. The equivalent mean annual global LNOx nitrogen mass production rate was estimated to be 1.6 and 3.1 Tg a(-1), respectively. By use of LINET observations in Germany in July 2005, a comparison with the lightning activity in mid-latitude thunderstorms was also performed. In general, the same frequency distribution of stroke peak currents as for tropical thunderstorms over Brazil was found. The different LNOx production rates per stroke in tropical thunderstorms compared with subtropical and mid-latitude thunderstorms seem to be related to the different stroke lengths (inferred from comparison with laboratory data and observed lengths). In comparison, the impact of other lightning parameters as stroke peak current and stroke release height was assessed to be minor. The results from TROCCINOX suggest that the different vertical wind shear may be responsible for the different stroke lengths.

TroCCiBras and its partner projects HIBISCUS and TROCCINOX: The 2004 field campaign in the state of São Paulo

This overview paper summarizes the objectives of the Tropical Convection and Cirrus Brasil project, as well as those of the European Commission sponsored HIBISCUS and TROCCINOX projects, which conducted a joint field campaign in the State of São Paulo from January to March 2004. Emphasis is given on the description of different types of lidars and their deployment for obtaining meteorological data during the joint field campaign in 2004. © Sociedad Española de Óptica.

Lightning characteristics observed by a VLF/LF lightning detection network (LINET) in Brazil, Australia, Africa and Germany

This paper describes lightning characteristics as obtained in four sets of lightning measurements during recent field campaigns in different parts of the world from mid-latitudes to the tropics by the novel VLF/LF (very low frequency/low frequency) lightning detection network (LINET). The paper gives a general overview on the approach, and a synopsis of the statistical results for the observation periods as a whole and for one special day in each region. The focus is on the characteristics of lightning which can specifically be observed by this system like intra-cloud and cloud-to-ground stroke statistics, vertical distributions of intra-cloud strokes or peak current distributions. Some conclusions regarding lightning produced NOx are also presented as this was one of the aims of the tropical field campaigns TROCCINOX (Tropical Convection, Cirrus and Nitrogen Oxides Experiment) and TroCCiBras (Tropical Convection and Cirrus Experiment Brazil) in Brazil during January/February 2005, SCOUT-O3 (Stratospheric-Climate Links with Emphasis on the Upper Troposphere and Lower Stratosphere) and TWP-ICE (Tropical Warm Pool-International Cloud Experiment) during November/December 2005 and January/February 2006, respectively, in the Darwin area in N-Australia, and of AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analyses) in W-Africa during June-November 2006.

Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre

Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre.