Institut für Meteorologie und Klimaforschung

IMK-AAF untersucht grundlegende Prozesse, die die Bildung, Umwandlung und Senken von atmosphärischen Aerosolen steuern. Diese Prozesse sind von großer Bedeutung für Klima, Wolken- und Niederschlagsbildung und für die menschliche Gesundheit(IPCC AR5, Kapitel 7). Unsere Forschung ist eingebettet in das Forschungsprogramm "Atmosphäre und Klima" der Helmholtz-Gemeinschaft, wo sie zu Thema 1, Thema 3 und Thema 4 beiträgt. Wir betreiben die große Aerosol- und Wolkensimulationskammer AIDA (Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere). Der Zugang zu dieser Anlage wird über das EU-Programm EUROCHAMP gefördert.

Innerhalb des KIT leistet das IMK-AAF einen Beitrag zum Zentrum für Klima und Umwelt, das sich mit den gesellschaftlichen Herausforderungen durch Klima- und Umweltveränderungen im Kontext demographischer, wirtschaftlicher und technischer Entwicklungen befasst.

Forschungsthemen am IMK-AAF

Arbeitsplatz mehrere Bildschirme
Eisnukleation and -wachstum via Deposition von Wasserdampf
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Aerosol Chemie
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Sekundäreis
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Aerosol_Cloud_Interactions
Aerosol-Wolken-Prozesse
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Luftqualität

Die Qualität unserer Luft wird durch die Konzentration bestimmter Spurengase und luftgetragener Partikel sowie deren Zusammensetzung bestimmt. Wir untersuchen Aerosolpartikel und Spurengase in städtischen, ländlichen und abgelegenen Gebieten mit dem Ziel, die Rolle der verschiedenen Quellen, des regionalen Transports, der Entwicklung der planetaren Grenzschicht sowie von extremen Wetterereignissen zu verstehen. Zu diesem Zweck kombinieren wir detaillierte bodengestützte Aerosolcharakterisierung mit Fernerkundungsmethoden.

Eiskeimbildende Partikel

Eiskeimbildende Partikel (INPs) bilden einen sehr geringer Anteil der atmosphärischen Aerosolpartikel, die zur Bildung von Eiskristallen bei hohen Temperaturen oder geringer Eisübersättigung benötigt werden und dadurch wichtige Auswirkungen auf die Bildung von Niederschlag und die Nettostrahlungswirkung von Zirruswolken im Klimasystem der Erde haben. Die Häufigkeit und Verteilung von INPs in der Atmosphäre hängt stark von der Temperatur sowie von der Konzentration und Art der Aerosolpartikel ab. Wir verwenden die auf Aerosolfiltern basierende Methode INSEKT (Ice Nucleation Spectrometer des Karlsruher Instituts für Technologie) und das neu entwickelte Instrument PINE (Portable Ice Nucleation Experiment) für INP-Messungen an etwa 10 verschiedenen Orten in Europa und in China. Wir sind insbesondere an Langzeitbeobachtungen an Standorten interessiert, die durch Aerosole aus verschiedenen natürlichen und anthropogenen Quellen beeinflusst werden.

Biologische Eisnukleatoren in der Atmosphäre

Lebende Organismen haben Methoden zur Kontrolle der Eiskeimbildung und des Eiswachstums entwickelt, um Zellschäden zu verhindern, die durch das Gefrieren von intrazellulärem Wasser verursacht werden. Infolgedessen sind viele Mikroorganismen, wie Bakterien, Pilze oder Pflanzenpollen, in der Lage das Gefrieren von Wasser bei nur wenigen Grad Unterkühlung auszulösen, im Vergleich zu -40°C Grad, die erforderlich sind, um mikroskopisch kleine Tröpfchen von unterkühltem Wasser homogen einzufrieren. Einige bakterielle und tierische Proteine sind auch für die Hemmung des Eiskristallwachstums verantwortlich, indem sie sich an den kristallinen Flächen des wachsenden Eises anlagern. In Zusammenarbeit mit Mikrobiologen des KIT und der Universität Aarhus (Dänemark) untersuchen wir, wie bestimmte Bakterien das Gefrieren von atmosphärischem Wasser beeinflussen und wie sich dies auf ihre Überlebenschancen und Verbreitungswege auswirkt.

Atmosphärische Oberflächen

Atmosphärische Reaktionen, z.B. heterogene Eiskeimbildung, Gasdeposition, Partikeloxidation und Photosensibilisierung, oder sekundäre Aerosol- und biogene Partikelbildung in Abhängigkeit von den an Grenzflächen auftretenden physikalischen und chemischen Wechselwirkungen. Das Verständnis der Faktoren, die die atmosphärischen Wechselwirkungen, insbesondere auf molekularer Ebene, beeinflussen, ist ein wichtiges ungelöstes und drängendes Problem in unserem Verständnis des Klimas. Unser Ziel ist die Untersuchung grundlegender Prozesse in der Atmosphäre auf molekularer Ebene mit Hilfe der nichtlinearen optischen Spektroskopie, hauptsächlich durch second-harmonic generation (SHG) und sum-frequency generation (SFG). SHG und SFG sind nichtlineare optische Effekte zweiter Ordnung, die nur an Oberflächen und Grenzflächen aktiv sind, wo die Inversionssymmetrie gebrochen ist.

Atmosphärische Nanowissenschaften

Die kleinsten langlebigen Nanopartikel in der Atmosphäre (Radius<2 nm) kondensieren aus verdampftem Meteoritenmaterial in der Mesopausenregion (h~85 km). Dort verursachen sie eine ungewöhnlich hohe Radarreflektivität und dienen im Sommer in hohen Breitengraden als Keime für die spektakulären nachtleuchtenden Wolken. Wir untersuchen im Labor die chemischen und physikalischen Prozesse, die zur Bildung und zum Wachstum dieser Eiswolken führen. Dazu haben wir eine einzigartige Simulationskammer entwickelt, um die Nanopartikel den extremen Bedingungen der Mesopause auszusetzen.

In-Situ-Aerosol- und Wolkenpartikel-Optik

Wir untersuchen die Wechselwirkung von ultraviolettem und sichtbarem Licht mit atmosphärischen Aerosol- und Wolkenpartikeln, um (i) deren kurzwellige spektrale optische Eigenschaften zu messen, (ii) den Bioaerosolgehalt abzuleiten und (iii) die strukturellen Details von Eispartikeln zu untersuchen. Wir entwickeln optische Instrumente, die bei Flugzeugmissionen, Gebirgsstudien und Wolkenkammerexperimenten eingesetzt werden.