Bildung und Mikrophysik von PSCs und kalten Zirrus-Eiswolken

Kalte Zirrus-Eiswolken in der oberen Troposphäre bedecken bis zu 30% des Himmels und sind wichtige Klima- Regulatoren, da sie einen Einfluß auf die Bilanz zwischen einfallender Sonnenstrahlung und abgegebener terrestrischer Strahlung haben. Weiters stellen sie eine Oberfläche für heterogene Reaktionen im Zusammenhang mit dem Ozonabbau bzw. der Regulierung des Wassergehalts in der oberen Troposphäre dar. Polare stratosphärische Wolken (PSCs) sind von zentraler Bedeutung für die Bildung des Ozonlochs in der (ant)arktischen Stratosphäre im Frühling nach der Polarnacht. Observations- bzw. Laborstudien zeigen, dass sich PSCs durch Gefrieren von wässrigem, anorganischem Aerosol, zB Schwefelsäure und Salpetersäure, bilden, während Zirrus- Eiswolken sowohl durch Aerosole von wässrigen organischen als auch anorganischen Lösungen gebildet werden. Trotz vieler Studien in der Vergangenheit bleibt eine große Lücke in unserem Verständnis des Bildungsmechanismus und der Mikrophysik dieser Wolken. Mikrophysikalische Parameter wie Größe, Zusammensetzung, Phase (fest, flüssig, oder gemischt-phasig), Wuchsform und Orientierung von kalten Wolkenpartikeln (Eiskriställchen) können in Zirkulationsmodellen (GCMs) des Erdklimas verwendet werden für die Vorhersage von (i) stratosphärischem Ozonverlust, und dessen zukünftige Erholung, und (ii) den Einfluss von hohen Zirrus-Eiswolken auf das Klima. Das Ergebnis dieser Vorhersagen hängt stark von den Annahmen über die mikrophysikalischen Parameter der Wolken ab. Im Gegensatz zu makrophysikalischen Charakteristika, die einfach über Satelliten- oder bodenbasierte Messungen gewonnen werden, benötigt ein Wissen über die mikrophysikalischen Charakteristika komplizierte in situ Messungen mit Forschungsflugzeugen. Selbst mit den flugzeug-basierten Messungen kann derzeit nicht ausgesagt werden, was die Zusammensetzung und der Phasenzustand der Wolkenpartikel ist. Z.B. kann nicht ausgesagt werden ob kleine (~5 - 10 m), junge Wolkenteilchen flüssig oder gemischt flüssig/fest, mit einem flüssigen Mantel sind. Dies macht einen großen Unterschied für die Geschwindigkeit des Ozonabbaus bzw. die radiativen Eigenschaften der Wolke aus. Daher sind umfangreiche Labormessungen notwendig, die einen Einblick in das Gefrier- und Alterungsverhalten von Aerosoltröpfchen geben. Diese Messungen werden daher im Rahmen dieses Projektes durchgeführt.

Auch wenn der Gefrierprozess seit mehr als einem Jahrhundert untersucht wird, ist man nach wie vor weit von einem vollen Verständnis entfernt. Das kann daran liegen, dass der Gefriervorgang bisher kaum visuell beobachtet wurde. Das wichtigste Ergebnis des Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen, bahnbrechenden Verfahrens, den Gefrierprozess zu visualisieren. Dadurch konnte die Morphologie von naszierendem Eis und der gefrierkonzentrierten Lösung sowie deren Änderung bei der Alterung aufgelöst werden. Wasser, als allgegenwärtiges Lösungsmittel in der Natur, kommt nur selten rein, sondern in Form wässriger Lösungen vor. Eis hingegen kommt meist rein vor und ist sehr intolerant gegenüber Verunreinigungen. Daher trennen sich wässrige Lösungen beim Frieren in reines Eis und eine gefrierkonzentrierte Lösung auf. Ein Beispiel für diese, durch Frieren induzierte, Phasentrennung ist in Abbildung 1 für voluminöse sowie fein dispergierte Lösungen zu sehen. Unser Ansatz kann für das Studium des Gefrierprozesses und der Morphologie von gefrorenen organischen und anorganischen Lösungen eingesetzt werden. Diese sind relevant in (i) unserer Atmosphäre bei der Bildung von Zirrenwolken in der oberen Troposphäre sowie Perlmuttwolken in der polaren Stratosphäre sowie (ii) für den Gefriertrocknungsprozess (Lyophilisierung) in der Biotechnologie, Arzneimittelherstellung, Lebensmittelindustrie bzw. zur Herstellung von künstlichem Gewebe. Abbildung 1. Bilder von (a) gefrorener Zitronensäure (20 Gewichtsprozent, voluminös) und (b) dispergierter Schwefelsäure (15 Gewichtsprozent). Die Projektergebnisse haben positive Auswirkungen auf die Atmosphärenwissenschaften sowie das Gefriertrocknen, indem die zeit- und energieaufwändigen Prozesse optimiert werden. Die Phasentrennung durch Gefrieren führt z.B. dazu, dass Zirren- und Perlmuttwolken gemischt (fest und flüssig) vorliegen (Abb.1b). Die Berücksichtigung vom gemischt-phasigen Wolkenpartikeln in Klimamodellen ist notwendig, um realistischere Schlussfolgerungen über den Einfluss von Wolken auf das Klima, die Geschwindigkeit des stratosphärischen Ozonabbaus und die Dauer bis zu einer zukünftigen Erholung treffen zu können. Für die Arzneimittelherstellung kann unser neuartiger Ansatz verwendet werden, um geeignete Formulierungsparameter zum Verbessern der Gefriertrocknung zu bestimmen. Diese Optimierung wird die Qualität von gefriergetrockneten Produkten wie etwa Wirkstoffen mit therapeutischen Proteinen verbessern und Arzneimittelabfall reduzieren. In letzter Konsequenz werden dadurch die Kosten für Medikamente reduziert.