CRISTA-NF - ein heliumgekühltes Infrarot-Teleskop für die Atmosphäre

Polare Stratosphärenwolken (PSC) sind eine spezielle Art von Wolken, die sich nur bei sehr niedrigen Temperaturen in der Stratosphäre bilden können. Solche Bedingungen kommen in der Regel im Winter im Polarwirbel vor. Man unterscheidet bei den PSCs drei Typen: 1. NAT-PSCs (Nitric Acid Trihydrate; kristalline Teilchen bestehend aus Wasser und Salpetersäure), 2. STS (Supercooled Ternary Solution; Flüssigtröpfchen bestehend aus Wasser, Salpetersäure und Schwefelsäure) und 3. Eis. Die PSCs haben aus zwei Gründen einen großen Einfluss auf den Ozonabbau im Polarwirbel. Zum einen geschieht die Aktivierung von Chlor auf kalten Oberflächen, die durch die Wolkenpartikel zu Verfügung stehen. Dieses aktive Chlor ist dann in der Lage Ozon abzubauen. Zum anderen kommt es durch das Absinken von NAT-Partikeln, die ja HNO₃ enthalten, zu einer Denitrifizierung der entsprechenden Atmosphärenschichten, in denen sich die NAT-PSCs befunden haben. In einer denitrifizierten Umgebung verläuft die Deaktivierung von Chlor aber verlangsamt ab, was dann zu einer Verlängerung des Ozonabbaus führt.

Die Beobachtung von PSCs wird mit Hilfe unterschiedlicher Methoden durchgeführt, wobei die LIDAR-Technik und das direkte Vermessen von Wolkenpartikeln mit optischen Partikelsensoren weit verbreitet ist. Aber auch Infrarot-Limbemissions-Spektrometer sind generell in der Lage Wolken zu detektieren und im Fall von PSCs auch zu unterscheiden. Erstmalig ist es mit dem Infrarot Spektrometer CRISTA (LINK) gelungen PSCs zu beobachten und aufgrund spezieller spektraler Signaturen die unterschiedlichen Typen zum Teil zu unterscheiden. Dabei wurde unter anderem ein Peak im Spektrum bei einer Wellenzahl von 820 cm^-1 genutzt, der von kleinen NAT-Teilchen erzeugt wird.

Während der RECONCILE-Kampagne (LINK), bei der das flugzeuggetragene Spektrometer CRISTA-NF (LINK) im Polarwirbel Messungen durchgeführt hat, wurde eine ähnliche spektrale Signatur beobachtet, die im Vergleich zu dem Originalpeak aber leicht verschoben war. Anschließende Simulationen zeigten, dass sich die spektrale Signatur je nach Größe der NAT-Teilchen verändern kann (siehe Abb. 1). Mit zunehmender Größe verändert sich die Signatur von einem Peak bei 820 cm^-1 zu einem verschobenen Peak und schließlich zu einer stufenartigen Signatur. Mit Hilfe dieser Erkenntnis war es das erste Mal möglich, nicht nur NAT-Teilchen besser zu detektieren als vorher, sondern auch eine Größenunterscheidung durchzuführen. Mit Hilfe der Simulationen wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht 3 verschiedene Größenbereiche der NAT-Teilchen zu unterscheiden: sNAT (small NAT; Radius ≤ 1 µm), mNAT (medium NAT; Radius 1.5 – 4 µm) und lNAT (large NAT; Radius ≥ 3.5 µm).

Während der Flugzeugkampagne wurden während 5 Flugen PSCs von dem Flugzeug durchquert und konnten so vermessen werden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für den Messflug vom 22. Januar 2010. Während dieses Fluges wurden vor allem mittelgroße NAT-Teilchen (1.5 – 4.0 µm) und STS beobachtet. Weitere Details zur Analysemethode und den Ergebnissen sind in Kalicinsky et al. (2021) (LINK) dargestellt.

Zur Zeit wird die entwickelte Methode auf das MIPAS-Env Satellitengerät übertragen und angepasst, um 10 Jahre Messungen in den beiden Polarregionen analysieren zu können.