Drone-based investigations on emissions of biogenic aerosols relevant for heterogeneous ice nucleation

Abstract

Der Klimawandel resultiert aus physikochemischen Reaktionen, welche in der Atmosphäre stattfinden. Im Gegensatz zu den Treibhausgasen ist der Einfluss von Aerosolen auf das Klima weitgehend unklar. Verschiedene Aerosol-Partikel können in unterkühltem Wasser in troposphärischen Wolken Eisbildung auslösen. Dadurch entstehen Eis- und Mischphasenwolken mit einem unterschiedlichen Rückstrahlvermögen im Vergleich zu flüssigen Wolken. Weiters werden hydrologische Vorgänge (z.B. Regen, Hagel, Schneefall) oft auf Grundlage eines Gefrierprozesses ausgelöst. Viele hoch-aktive Eiskeime (EK) stammen aus biologischen Quellen. Zum Beispiel können biologische Aerosole (Bioaerosole) wie etwa Pollenkörner, Pilzsporen oder bakterielle Zellen Wolkenprozesse in der Troposphäre beeinflussen. Der Einfluss von Bioaerosolen auf Wetter und Klima ist nicht vollständig erforscht, da die Konzentrationen regional und saisonal stark variieren können. Die Blütezeit von Pflanzen, die feuchtigkeitsausgelöste Sporenbildung der Pilze, sowie die feuchte Bioaerosol-Entstehung während starker Niederschläge sind drei mögliche Pfade über welche biologische EK in die Troposphäre gelangen können. Jedoch ist die Bioaerosol-Formation ein sehr komplexer Prozess der neben physikalischen auch von biologischen Parametern abhängt. Da sich die Forschung auf Grundlage von bodengebundenen sowie Flugzeuggetragenen Messungen von Bioaerosolen entwickelt hat, existiert nach wie vor eine große Wissenslücke über die Emission und den Transport von Bioaerosolen im Luftraum zwischen den Bodenstationen und den niedrigsten Flughöhe der Flugzeuge. Um diese Lücke zu schließen haben wir ein Drohnen-gebundenes Aerosol-Partikel Sammel Impinger/Impaktor (DAPSI) System entwickelt, welches an kleinen herkömmlichen Drohnen befestigt werden kann und somit die Analyse von Bioaerosolen über den Quellen und den Transport in höhere Lagen ermöglicht. Mithilfe eines Impingers und eines Impaktors werden Aerosol-Partikel in-situ gesammelt und anschließend im Labor untersucht (d.h. Gefrierexperimente sowie Fluoreszenz und Raster-Elektronen Mikroskopie). Weiters werden meterologische Parameter sowie die Feinstaubkonzentration während des Fluges mithilfe einer eingebauten Sensorik aufgezeichnet. Der verwendete Impinger wurde im Labor mit StandardAerosolen (Polystyren Latex Kugeln) sowie biologischen EK (Betula pendula) charakterisiert. Die ersten Testflüge in den österreichischen Alpen (Gosau) verliefen erfolgreich. Die Emission von EK war nach Regenfällen besonders hoch (10^3 L^-1 aktiv über -24°C) und konnte über mikoroskopische Analysen in Verbindung mit Bioaerosolen gebracht werden. DAPSI ist ein bahnbrechnendes Gerät für die Analyse von spezifischen Bioaerosol Emissionen, welches experimentelle Daten für die Klimaforschung liefern kann.

Der Klimawandel resultiert aus physikochemischen Reaktionen, welche in der Atmosphäre stattfinden. Im Gegensatz zu den Treibhausgasen ist der Einfluss von Aerosolen auf das Klima weitgehend unklar. Verschiedene Aerosol-Partikel können in unterkühltem Wasser in troposphärischen Wolken Eisbildung auslösen. Dadurch entstehen Eis- und Mischphasenwolken mit einem unterschiedlichen Rückstrahlvermögen im Vergleich zu flüssigen Wolken. Weiters werden hydrologische Vorgänge (z.B. Regen, Hagel, Schneefall) oft auf Grundlage eines Gefrierprozesses ausgelöst. Viele hoch-aktive Eiskeime (EK) stammen aus biologischen Quellen. Zum Beispiel können biologische Aerosole (Bioaerosole) wie etwa Pollenkörner, Pilzsporen oder bakterielle Zellen Wolkenprozesse in der Troposphäre beeinflussen. Der Einfluss von Bioaerosolen auf Wetter und Klima ist nicht vollständig erforscht, da die Konzentrationen regional und saisonal stark variieren können. Die Blütezeit von Pflanzen, die feuchtigkeitsausgelöste Sporenbildung der Pilze, sowie die feuchte Bioaerosol-Entstehung während starker Niederschläge sind drei mögliche Pfade über welche biologische EK in die Troposphäre gelangen können. Jedoch ist die Bioaerosol-Formation ein sehr komplexer Prozess der neben physikalischen auch von biologischen Parametern abhängt. Da sich die Forschung auf Grundlage von bodengebundenen sowie Flugzeuggetragenen Messungen von Bioaerosolen entwickelt hat, existiert nach wie vor eine große Wissenslücke über die Emission und den Transport von Bioaerosolen im Luftraum zwischen den Bodenstationen und den niedrigsten Flughöhe der Flugzeuge. Um diese Lücke zu schließen haben wir ein Drohnen-gebundenes Aerosol-Partikel Sammel Impinger/Impaktor (DAPSI) System entwickelt, welches an kleinen herkömmlichen Drohnen befestigt werden kann und somit die Analyse von Bioaerosolen über den Quellen und den Transport in höhere Lagen ermöglicht. Mithilfe eines Impingers und eines Impaktors werden Aerosol-Partikel in-situ gesammelt und anschließend im Labor untersucht (d.h. Gefrierexperimente sowie Fluoreszenz und Raster-Elektronen Mikroskopie). Weiters werden meterologische Parameter sowie die Feinstaubkonzentration während des Fluges mithilfe einer eingebauten Sensorik aufgezeichnet. Der verwendete Impinger wurde im Labor mit StandardAerosolen (Polystyren Latex Kugeln) sowie biologischen EK (Betula pendula) charakterisiert. Die ersten Testflüge in den österreichischen Alpen (Gosau) verliefen erfolgreich. Die Emission von EK war nach Regenfällen besonders hoch (10^3 L^-1 aktiv über -24°C) und konnte über mikoroskopische Analysen in Verbindung mit Bioaerosolen gebracht werden. DAPSI ist ein bahnbrechnendes Gerät für die Analyse von spezifischen Bioaerosol Emissionen, welches experimentelle Daten für die Klimaforschung liefern kann.