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Coarse mode aerosol characterization in the stratospheric polar vortex during the SABRE 2023 airborne campaign
Florian Kuderna
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
DOI
10.25365/thesis.80090
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13867.46415.359488-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stratosphärische Coarse-Mode Aerosolpartikel mit Durchmessern Dp>0.5µm spielen eine bedeutende Rolle für chemische Prozesse und den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Es gibt allerdings insbesondere in der polaren Stratosphäre nur wenige in situ Messungen. Im Rahmen der SABRE 2023 Kampagne, die im Februar und März 2023 auf der Eielson Air Force Base in Alaska stattgefunden hat, wurden flugzeuggestützte stratosphärische Aerosolmessungen durchgeführt. Diese Arbeit analysiert den dabei gewonnenen Datensatz. Im Winter bildet sich in der polaren Stratosphäre der stratosphärische Polarwirbel aufgrund der Brewer-Dobson Zirkulation. Der Rand dieses Polarwirbels stellt eine Barriere dar, durch die kaum horizontaler Masseaustausch stattfindet. Dadurch grenzen hier zwei Luftmassen sehr unterschiedlicher Herkunft aneinander. Diese Inhomogenität spiegelt sich auch in der Aerosol Partikelkonzentration und Größenverteilung wider. Um im Datensatz zwischen diesen beiden Luftmassen (innerhalb und außerhalb des Polarwirbels) unterscheiden zu können, wird in dieser Arbeit ein bereits bestehender Algorithmus, der einen vertikalen N2O-Gradienten im Polarwirbel ausnutzt, verbessert, vereinfacht und mit bestehenden Age-of-Air Daten validiert. Im Anschluss wird eine Vergleichsstudie über Aerosol-Partikelkonzentration und -Größenverteilung zwischen den zwei Regimes ("innerhalb" und "außerhalb" des Polarwirbels) durchgeführt. Diese Vergleichsstudie ergab signifikante Unterschiede bei Coarse-Mode-Partikelkonzentrationen zwischen den beiden Luftmassen: Während außerhalb des Polarwirbels die Coarse-Mode-Anzahlkonzentration weitgehend konstant blieb, reduzierte sich die Konzentration innerhalb des Wirbels bei höheren potentiellen Temperaturen. Für Teilchen mit Durchmessern Dp>1.0µm fiel sie sogar unter das Detektionslimit des Instruments. Außerhalb des Polarwirbels blieb auch die Größenverteilung der Partikel gleichförmig. Im Gegensatz dazu zeigt sich innerhalb des Wirbels eine charakteristische vertikale Struktur in der Größenverteilung. Diese Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass sich kleinere Partikel (Dp∼80nm) bei hohen potentiellen Temperaturen finden und größere Partikel (Dp∼150nm) bei niedrigeren. Die Mode der größeren Partikeldurchmesser zeigt eine deutlich breitere Verteilung und geringere maximale Anzahlkonzentration als die der kleineren. Das deutet auf Teilchenwachstum durch Kondensation und Koagulation im absteigenden Ast der Brewer-Dobson-Zirkulation hin. Das führt zum unerwarteten Ergebnis höherer Coarse-Mode-Anzahlkonzentrationen innerhalb des Polarwirbels bei niedrigen potentiellen Temperaturen im Vergleich zum Bereich außerhalb des Polarwirbels.
Abstract
(Englisch)
Stratospheric coarse mode aerosols (with particle diameters Dp>0.5µm) play an important role for local Surface chemistry and Earth’s radiative balance. However, in situ measurements - especially in the polar stratosphere - are scarce. This thesis addresses this deficiency of in situ measurements by analyzing the dataset taken during the SABRE 2023 airborne campaign based at Eielson AFB in Alaska in February and March 2023. Aerosol size distribution and concentration are not expected to be uniformly distributed in the polar stratosphere due to the formation of the stratospheric winter polar vortex. This is a structure resulting from the Brewer-Dobson Circulation. The polar vortex leads to airmasses with different histories coexisting side to side on either edge of the vortex with little to no mixing. To distinguish between these two regimes in the dataset, an existing algorithm exploiting a vertical gradient in N2O concentration inside the vortex is improved, simplified and validated against age of air data. This algorithm is then used to partition the dataset into subsets of datapoints taken inside the vortex and outside the vortex. Thereafter, a comparative study on aerosol number size distribution and concentration between these two regimes is performed. The comparison revealed significant differences in coarse mode aerosol properties between the two regimes: While coarse mode number concentration was fairly uniform outside the vortex throughout the whole measured potential temperature range, the concentration inside decreased significantly at higher potential temperatures and even fell below the detection limit of the instrument when only considering particles with Dp>1µm. While the particle size distribution was fairly constant with potential temperature outside the vortex, there was a distinct vertical structure found inside the vortex with smaller particles (Dp∼80nm) at high potential temperatures and larger particles (Dp∼150nm) at lower ones. The mode with larger particles exhibited a much broader size distribution and lower maximum particle concentration. This suggests particle growth by condensation and coagulation on the descending branch of the Brewer-Dobson Circulation which leads to the unexpected result of larger coarse mode number concentrations in the lower stratosphere inside the vortex as compared to outside.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Coarse Mode Aerosol Polarwirbel Stratosphäre Flugzeug-getragene Messungen
Schlagwörter
(Englisch)
Coarse Mode Aerosol Polar Vortex airborne observations stratosphere
Autor*innen
Florian Kuderna
Haupttitel (Englisch)
Coarse mode aerosol characterization in the stratospheric polar vortex during the SABRE 2023 airborne campaign
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
X, 74 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikation
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC Nummer
AC17753155
Utheses ID
78775
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |