La nucléation hétérogène de la glace est un processus, entre autres, qui concerne les phénomènes complexes de l'Atmosphère terrestre, cependant son impact est déterminant pour les propriétés et le temps de vie des nuages : ce processus affecte l'épaisseur optique et la durée de vie des nuages en phase mixte et froide et il est responsable d'une proportion significative des précipitations à l'échelle mondiale. La nucléation hétérogène de la glace est liée à la présence de particules d'aérosol spécifiques, nommées noyaux glaçogènes (acronyme INP depuis l’anglais), avec la propriété de réduire l’énergie de seuil exigée pour la formation des cristaux de glace, et dont le rôle est influent pour des températures de nuage >-38 °C. Dans les dernières décennies, des avancements significatifs ont été faits dans la description des noyaux glaçogènes, cependant leur compréhension reste incomplète et ceci influence les incertitudes sur les estimations de forçage radiatif dans les modèles climatiques. Il manque un grand nombre d’observations sur les distributions et propriété des 'INP' à l’échelle globale, spécialement en région éloignée. Dans la première partie de cette thèse, sont présentées des mesures de noyaux glaçogènes faites à l'Observatoire Climatique Italien "O. Vittori" sur la Montagne Cimone (2165 m au-dessus du niveau de la mer), pendant le printemps 2014 et l’automne 2015, sous les projets Bacchus et Air Sea Lab. Pour la première fois des mesures de INP hors ligne, reliés à un site de haute altitude du bassin méditerranéen sont présentées. Pendant la période du 19 au 29 mai 2014, une autre campagne a eu lieu en parallèle à la station San Pietro Capofiume, un site rural de basse altitude dans la Vallée du Po. Pendant quelques jours, les deux campagnes ont été concernées par un phénomène de Transport de Poussière Saharienne, qui a été enregistré simultanément dans la station de bas et de haute altitude. Nous avons examiné la concentration atmosphérique de INP activés à travers une congélation par condensation de vapeur (à -18°C et au-dessus de la pression de vapeur saturante). Dans la deuxième partie de cette thèse, sont présentées les observations qui ont été menées pendant la campagne arctique Parcs-Maca, dans la période de transition entre la nuit polaire et le jour polaire. Pour la première fois on reporte la caractérisation des propriétés glaçogènes et physiques/chimiques de l’aérosol marin primaire Arctique, dans une approche de génération contrôlée en laboratoire, qui a été combinée à une expérience de mesocosm. Le but de l'expérience de mesocosm était d'adopter une approche pluridisciplinaire afin d’étudier l'effet de la pollution marine sur les émissions marines. Nous avons trouvé une diminution modérée mais significative de la concentration de noyaux glaçogènes dans l'eau de mer polluée (par rapport à l'eau de mer du contrôle) pour des noyaux glaçogènes actives en congélation par immersion entre -8.5 et -19 °C. En ce qui concerne le spray marin, nos mesures indiquent une relation parmi les INP actifs à des températures chaudes (en congélation par immersion et au-dessus de -15 °C) et un enrichissement du Calcium détecté dans les filtres PM1 (suivi par un apparent épuisement du Chlorure). Sur la base de nos observations et des résultats publiés en littérature, quelque indication a été suggéré sur la nature de ces noyaux glaçogènes marins. En conclusion, les mesures effectuées dans cette thèse fournissent des nouvelles informations sur les concentrations de noyaux glaçogènes pour des particules d’aérosols en régions éloignées (un observatoire à haute altitude dans la région méditerranéenne centrale) et par rapport à une source spécifique (le spray marin Arctique). / Heterogeneous ice nucleation is one element inside the overall complexity of the Earth's atmosphere, however, it has a profound impact on our representation of cloud properties: this process affects the optical thickness and lifetime of mixed-phase clouds and cirrus clouds, and it is responsible for a significant proportion of precipitations formed globally. Heterogeneous ice nucleation is related to the presence of specific aerosol particles, named ice nuclei particles (INP), with the unique ability of lowering the energy barrier required for the formation of ice crystals, especially where cloud’s temperatures are >-38 °C. In the last decades, significant advancements have been made to the fundamental understanding of ice nucleation, however the lack of knowledge on the cloud ice phase still contributes to major uncertainties in climate model prediction of radiative forcing. This is partly due to limited observational data quantifying INP distributions and properties all over the world, especially in remote locations. In the first part of this thesis, field observations of ice nucleating particles have been performed at the Italian Climate Observatory “O. Vittori” on Mountain Cimone (2165 m above sea level), in the spring 2014 and autumn 2015, within the Bacchus and Air Sea Lab projects. For the first time we report the results of offline INP measurements, performed at a high altitude site within the Mediterranean basin. In the period 19-29 May 2014, a parallel campaign took place at the low-altitude station San Pietro Capofiume, a rural site in the Po Valley. The two campaigns were concerned, for a few days, by a Saharan Dust transport Event, which was recorded simultaneously at the high and the low-level station. We investigated the ambient number concentration of INP under condensation freezing activation mechanism (at -18 °C and above water saturation). In the second part of this thesis, we present the observations that were performed during the Arctic campaign Parcs-Maca, in the period of transition among the polar night and the polar day. We could characterise for the first time the ice nucleating and physical/chemical properties of the Arctic Primary Marine Aerosol, in a laboratory-controlled generation approach, that was combined to a mesocosm experiment. The aim of the mesocosm experiment was to adopt a multidisciplinary approach to study the effect of marine pollution on marine emissions. We found a moderate but significant decrease of the ice nuclei concentration in the polluted seawater (with respect to the control seawater) recorded in the freezing range between -8.5 and -19 °C and activated through immersion-freezing. Within the seaspray our measurements have indicated a relation among INP active at warm temperature (above -15 °C through immersion-freezing) and a calcium enrichment detected in PM1 filters (and followed by an apparent Chloride depletion). On the basis of our observations, and the results reported from other studies, a few suggestions on the nature of these marine ice nuclei have been suggested. In summary, the measurements made for this thesis provide new information on the concentrations of ice nuclei in ambient aerosol particles in remote regions (a high-altitude observatory in the central Mediterranean region) and in relation to a specific source (the Arctic sea spray).

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen heterogener Eisbildung und Temperatur auf Basis eines 11-Jahres Lidardatensatzes untersucht, wobei besonders der potenzielle Einfluss von Wüstenstaubaerosol auf die heterogene Gefriertemperatur von unterkühlten Wasserwolken überprüft wurde. Der zugrundeliegende Lidardatensatz entstand im Rahmen von zwischen 1997 und 2008 am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT) in Leipzig durchgeführten Lidarmessungen. Mehr als 2300 zeitlich und räumlich defifinierte Wolkenschichten wurden anhand des gemessenen linearen Depolarisationsverhältnisses als Flüssigwasserwolken oder als eisbeinhaltende Wolken klassifiziert. Dazu war es nötig, den störenden Einfluss von spiegelnden Reflektionen horizontal ausgerichteter Eiskristalle auf das gemessene Depolarisationsverhältnis zu charakterisieren. Die für die Auswertung benötigten Wolkenoberkantentemperaturen wurden aus Modelldaten oder, falls zeitnah verfügbar, aus Radiosondenprofifilen ermittelt. Die statistische Auswertung des Wolkendatensatzes ergab, dass der Anteil an eisbeinhaltenden Wolken mit abnehmender Temperatur stark zunimmt. Wurde in Wolken mit Oberkantentemperaturen zwischen 0 und -5 °C in nur 1% aller Fälle Eis detektiert, enthielten zwischen -10 und -15 °C bereits 40% der in dem Temperaturbereich beobachteten Wolken Eis. Bei Wolkenoberkantentemperaturen unterhalb von -25 °C wurde in nahezu 100% aller Fälle Eis in den Wolken beobachtet. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen Temperatur und dem Anteil an eisbeinhaltenden Wolken wurde bereits in zahlreichen auf Flugzeugmessungen basierenden Studien gefunden. In einem weiteren Schritt wurde der Wolkendatensatz mittels drei verschiedener Ansätze in einen staubbelasteten sowie einen staubfreien Teil getrennt. Dies geschah Anhand einer Trajektorien-Clusteranalyse sowie der Trennung bezüglich der von einem Mineralstaubvorhersagemodell berechneten Mineralstaubbelastung in Wolkenhöhe beziehungsweise in der gesamten Luftsäule über Leipzig. Die Trennung ergab, dass staubbelastete Wolken im Temperaturbereich zwischen -5 und -25 °C 10-30% mehr Eis beinhalten als staubfreie Wolken. Die Ergebnisse dieser Untersuchung legen deshalb nahe, dass Mineralstaub Eisbildung in unterkühlten Wolken maßgeblich fördert. Der Vergleich des Leipziger Wolkendatensatzes mit einem auf den Kapverden gesammelten Datensatz tropischer Wolken zeigte, dass trotz vergleichbarem Einfluss von Mineralstaubaerosol Eisbildung in den Tropen erst bei um 10 K tieferen Temperaturen einsetzt. Als mögliche Einflussfaktoren wurden Unterschiede in der atmosphärischen Dynamik und die Wirkung effektiverer Eiskeime über Mitteleuropa diskutiert. / The formation and presence of ice crystals in clouds strongly determines meteorological processes as precipitation formation but also climatological parameters as the radiation budget of the atmosphere. The process of ice formation, however, is not straightforward because ice crystals and liquid water droplets can coexist at temperatures from -38 °C to 0 °C. In this temperature range, aerosol particles, so-called ice nuclei, must be present to trigger ice formation in a supercooled droplet. From laboratory studies it is known that mineral dust particles are efficient ice nuclei. We present a statistical analysis of lidar-based observations of 2300 free-tropospheric clouds that was used to investigate the effect of mineral dust particles on the ice-formation temperature. The observations were performed at Leipzig, Germany (51° N, 12 °E). The time and height as well as the phase state (ice, liquid-water) of the observed clouds can easily be derived from the lidar data. The dust load in every observed cloud layer was determined by means of model data. From the analysis it was found that dust-affected clouds produce ice 50% more frequently than dust-free clouds at temperatures between -20 and -10 °C. In a last step we compared the relationship between ice-containing clouds and temperature of the Leipzig dataset with a similar data set from Cape Verde (15 °N, 23.5 °W). Even though dust is omnipresent in the troposphere at this location, the study of more than 200 spatially well-defined altocumulus clouds did not show a significant number of ice clouds at temperatures above -15 °C. Possible explanations for the observed differences between the Leipzig and the Cape Verde data set are contrasts in atmospheric dynamics over Central Europe and western Africa or the presence of anthropogenic aerosol over Europe that may provide additional effective ice nuclei besides Saharan dust.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen heterogener Eisbildung und Temperatur auf Basis eines 11-Jahres Lidardatensatzes untersucht, wobei besonders der potenzielle Einfluss von Wüstenstaubaerosol auf die heterogene Gefriertemperatur von unterkühlten Wasserwolken überprüft wurde. Der zugrundeliegende Lidardatensatz entstand im Rahmen von zwischen 1997 und 2008 am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT) in Leipzig durchgeführten Lidarmessungen. Mehr als 2300 zeitlich und räumlich defifinierte Wolkenschichten wurden anhand des gemessenen linearen Depolarisationsverhältnisses als Flüssigwasserwolken oder als eisbeinhaltende Wolken klassifiziert. Dazu war es nötig, den störenden Einfluss von spiegelnden Reflektionen horizontal ausgerichteter Eiskristalle auf das gemessene Depolarisationsverhältnis zu charakterisieren. Die für die Auswertung benötigten Wolkenoberkantentemperaturen wurden aus Modelldaten oder, falls zeitnah verfügbar, aus Radiosondenprofifilen ermittelt. Die statistische Auswertung des Wolkendatensatzes ergab, dass der Anteil an eisbeinhaltenden Wolken mit abnehmender Temperatur stark zunimmt. Wurde in Wolken mit Oberkantentemperaturen zwischen 0 und -5 °C in nur 1% aller Fälle Eis detektiert, enthielten zwischen -10 und -15 °C bereits 40% der in dem Temperaturbereich beobachteten Wolken Eis. Bei Wolkenoberkantentemperaturen unterhalb von -25 °C wurde in nahezu 100% aller Fälle Eis in den Wolken beobachtet. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen Temperatur und dem Anteil an eisbeinhaltenden Wolken wurde bereits in zahlreichen auf Flugzeugmessungen basierenden Studien gefunden. In einem weiteren Schritt wurde der Wolkendatensatz mittels drei verschiedener Ansätze in einen staubbelasteten sowie einen staubfreien Teil getrennt. Dies geschah Anhand einer Trajektorien-Clusteranalyse sowie der Trennung bezüglich der von einem Mineralstaubvorhersagemodell berechneten Mineralstaubbelastung in Wolkenhöhe beziehungsweise in der gesamten Luftsäule über Leipzig. Die Trennung ergab, dass staubbelastete Wolken im Temperaturbereich zwischen -5 und -25 °C 10-30% mehr Eis beinhalten als staubfreie Wolken. Die Ergebnisse dieser Untersuchung legen deshalb nahe, dass Mineralstaub Eisbildung in unterkühlten Wolken maßgeblich fördert. Der Vergleich des Leipziger Wolkendatensatzes mit einem auf den Kapverden gesammelten Datensatz tropischer Wolken zeigte, dass trotz vergleichbarem Einfluss von Mineralstaubaerosol Eisbildung in den Tropen erst bei um 10 K tieferen Temperaturen einsetzt. Als mögliche Einflussfaktoren wurden Unterschiede in der atmosphärischen Dynamik und die Wirkung effektiverer Eiskeime über Mitteleuropa diskutiert.:1 Introduction 2 Ice formation 2.1 Homogeneous nucleation 2.2 Heterogeneous nucleation 2.2.1 Heterogeneous nucleation processes 2.2.2 Studies of heterogeneous nucleation 2.3 Dynamical processes and ice multiplication 3 Motivating questions for the present study 4 IfT Earlinet lidar MARTHA 4.1 IfT lidar system MARTHA 4.2 Lidar equation 4.3 Particle backscatter coefficient 4.3.1 Klett-Fernald method 4.3.2 Raman method 4.4 Particle extinction coefficient 4.5 Depolarization ratio 4.5.1 Depolarization ratio for idealized systems 4.5.2 Depolarization ratio for non-idealized systems 5 Cloud detection with MARTHA 5.1 Cloud geometrical properties 5.2 Meteorological data 5.3 Aerosol information 5.4 Cloud phase determination 5.5 Multiple scattering 5.6 Specular reflection 5.6.1 Instrumentation 5.6.2 WiLi and MARTHA observations 5.6.3 PollyXT and MARTHA observations 5.7 Liquid/Ice-containing layer discrimination scheme for MARTHA 6 Observations 6.1 20 June 2007: Cloud development in Saharan dust 6.2 3 November 2003 and 24 November 2006: Cloud development at aerosol background conditions 6.3 26 May 2008 and 26 December 2008: Indications for deposition nucleation 7 The MARTHA 1997-2008 cloud data set 7.1 Statistical basis 7.2 Geometrical cloud properties 7.3 Relationship between heterogeneous ice formation and temperature 7.4 Impact of Saharan dust on heterogeneous ice nucleation 7.4.1 Trajectory cluster analysis 7.4.2 Dust-model-based investigations 7.5 Discussion 8 Summary, conclusions, and outlook 8.1 Summary and conclusions 8.2 Outlook Bibliography List of abbreviations / The formation and presence of ice crystals in clouds strongly determines meteorological processes as precipitation formation but also climatological parameters as the radiation budget of the atmosphere. The process of ice formation, however, is not straightforward because ice crystals and liquid water droplets can coexist at temperatures from -38 °C to 0 °C. In this temperature range, aerosol particles, so-called ice nuclei, must be present to trigger ice formation in a supercooled droplet. From laboratory studies it is known that mineral dust particles are efficient ice nuclei. We present a statistical analysis of lidar-based observations of 2300 free-tropospheric clouds that was used to investigate the effect of mineral dust particles on the ice-formation temperature. The observations were performed at Leipzig, Germany (51° N, 12 °E). The time and height as well as the phase state (ice, liquid-water) of the observed clouds can easily be derived from the lidar data. The dust load in every observed cloud layer was determined by means of model data. From the analysis it was found that dust-affected clouds produce ice 50% more frequently than dust-free clouds at temperatures between -20 and -10 °C. In a last step we compared the relationship between ice-containing clouds and temperature of the Leipzig dataset with a similar data set from Cape Verde (15 °N, 23.5 °W). Even though dust is omnipresent in the troposphere at this location, the study of more than 200 spatially well-defined altocumulus clouds did not show a significant number of ice clouds at temperatures above -15 °C. Possible explanations for the observed differences between the Leipzig and the Cape Verde data set are contrasts in atmospheric dynamics over Central Europe and western Africa or the presence of anthropogenic aerosol over Europe that may provide additional effective ice nuclei besides Saharan dust.:1 Introduction 2 Ice formation 2.1 Homogeneous nucleation 2.2 Heterogeneous nucleation 2.2.1 Heterogeneous nucleation processes 2.2.2 Studies of heterogeneous nucleation 2.3 Dynamical processes and ice multiplication 3 Motivating questions for the present study 4 IfT Earlinet lidar MARTHA 4.1 IfT lidar system MARTHA 4.2 Lidar equation 4.3 Particle backscatter coefficient 4.3.1 Klett-Fernald method 4.3.2 Raman method 4.4 Particle extinction coefficient 4.5 Depolarization ratio 4.5.1 Depolarization ratio for idealized systems 4.5.2 Depolarization ratio for non-idealized systems 5 Cloud detection with MARTHA 5.1 Cloud geometrical properties 5.2 Meteorological data 5.3 Aerosol information 5.4 Cloud phase determination 5.5 Multiple scattering 5.6 Specular reflection 5.6.1 Instrumentation 5.6.2 WiLi and MARTHA observations 5.6.3 PollyXT and MARTHA observations 5.7 Liquid/Ice-containing layer discrimination scheme for MARTHA 6 Observations 6.1 20 June 2007: Cloud development in Saharan dust 6.2 3 November 2003 and 24 November 2006: Cloud development at aerosol background conditions 6.3 26 May 2008 and 26 December 2008: Indications for deposition nucleation 7 The MARTHA 1997-2008 cloud data set 7.1 Statistical basis 7.2 Geometrical cloud properties 7.3 Relationship between heterogeneous ice formation and temperature 7.4 Impact of Saharan dust on heterogeneous ice nucleation 7.4.1 Trajectory cluster analysis 7.4.2 Dust-model-based investigations 7.5 Discussion 8 Summary, conclusions, and outlook 8.1 Summary and conclusions 8.2 Outlook Bibliography List of abbreviations