Deutsche Übersetzung des Titels: Hochgenaue Multiphasen-Feuchtemessungen mit Hilfe von TDLAS: eine Anwendung zur Untersuchung des Eiswachstums in simulierten Zirruswolken

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Abstract

Water vapor is a crucial quantity in cloud studies at the aerosol and cloud chamber AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere). The chamber is equipped with three tunable diode laser (TDL) hygrometers for the accurate and precise measurement of water vapor and total water concentration as well as liquid/ice water content down to the low ppb range. This thesis presents instrumental improvements, new developments, and assessment of the performance of these instruments – with special emphasis on measurement accuracy. For online evaluation of the AIDA TDL hygrometers’ measurement data, there is demand for a fast, accurate, and robust method which has been developed with the advanced integrative fitting algorithm. Besides utilization at AIDA, this algorithm could find further application in atmospheric trace gas measurements, combustion process analysis, or could be integrated into embedded systems with limited computing power. The capabilities of the AIDA TDL hygrometers have been applied to AIDA experiments investigating ice particle growth within cirrus clouds in the temperature range between 190 K and 235 K. These experiments could constrain the accommodation coefficient of water molecules on growing cirrus ice particles, alpha_ice, which is relevant for the initial stage of ice growth in cirrus clouds. The temperature averaged result alpha_ice=0.8_(-0.5)^(+0.2) suggests that cirrus ice particle growth is not significantly suppressed as it would be for a low alpha_ice<0.1. Therefore, implications of alpha_ice for cirrus clouds and their characteristics should be minor and future cirrus cloud model studies can rely on a well constrained alpha_ice.

Übersetzung des Abstracts (Deutsch)

Wasserdampf spielt für die Wolkenexperimente an der Aerosol- und Wolkenkammer AIDA (Aerosol-Interaktionen und Dynamik in der Atmosphäre) eine entscheidende Rolle. Zur genauen und empfindlichen Messung von Wasserdampf- und Gesamtwasserkonzentrationen sowie dem Flüssigwasser- bzw. Eiswassergehalt ist die AIDA-Kammer mit drei Tunable-diode-laser (TDL) Hygrometern ausgestattet. Die vorliegende Arbeit stellt instrumentelle Verbesserungen, neue Entwicklungen und eine Beurteilung der Leistungsmerkmale dieser Instrumente vor – mit besonderem Augenmerk auf der Messgenauigkeit. Für die Echtzeit-Auswertung der Messdaten der AIDA-TDL-Hygrometer sind schnelle, genaue und stabile Methoden erforderlich. Eine solche Methode ist im Rahmen dieser Arbeit mit dem hochentwickelten integrativen Kurvenanpassungs-Algorithmus entstanden. Neben seinem Einsatz im Rahmen von AIDA-Messungen könnte dieser Algorithmus weitere Anwendung in atmosphärischen Spurengasmessungen, der Verbrennungsprozessanalyse sowie in eingebetteten Systemen mit begrenzter Rechenleistung finden. Die Leistungsfähigkeit der TDL-Hygrometer kam in AIDA-Experimenten zur Anwendung, die das Eispartikel-Wachstum in Zirruswolken im Temperaturbereich zwischen 190 K und 235 K untersucht haben. Mit Hilfe dieser Experimente konnte der Akkommodationskoeffizient von Wassermolekülen auf wachsenden Zirrus-Eispartikeln, alpha_Eis, bestimmt werden. Dieser Parameter ist für die Anfangsphase des Eiswachstums in Zirruswolken von großer Bedeutung. Das über den Temperaturbereich gemittelte experimentelle Ergebnis alpha_Eis=0.8_(-0.5)^(+0.2) lässt darauf schließen, dass das Wachstum von Zirrus-Eispartikeln nicht maßgeblich verlangsamt ist, wie es für ein niedriges alpha_Eis<0.1 der Fall wäre. Daher sollte alpha_Eis geringe Auswirkungen auf Zirruswolken und ihre Eigenschaften haben. Zukünftige Zirruswolken-Modellstudien können sich überdies auf einen gut eingeschränkten Wertebereich für alpha_Eis stützen.