Coarse mode aerosol characterization in the stratospheric polar vortex during the SABRE 2023 airborne campaign

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.