A substantial source of cloud condensation nuclei in the atmospheric boundary layer is thought to originate from the nucleation of trace sulphuric acid vapour. Despite extensive research, we still lack a quantitative understanding of the nucleation mechanism and the possible role of cosmic rays, creating one of the largest uncertainties in atmospheric models and climate predictions. Jasper Kirkby and colleagues present the first results from the CLOUD experiment at CERN, which studies nucleation and other ion-aerosol cloud interactions under precisely controlled conditions. They find that atmospherically relevant ammonia mixing ratios of 100 parts per trillion by volume increase the nucleation rate of sulphuric acid particles by more than a factor of 100 to 1,000. They also find that ion-induced binary nucleation of H2SO4–H2O can occur in the mid-troposphere, but is negligible in the boundary layer and so additional species are necessary. Even with the large enhancements in rate caused by ammonia and ions, they conclude that atmospheric concentrations of ammonia and sulphuric acid are insufficient to account for observed boundary layer nucleation. Atmospheric aerosols exert an important influence on climate1 through their effects on stratiform cloud albedo and lifetime2 and the invigoration of convective storms3. Model calculations suggest that almost half of the global cloud condensation nuclei in the atmospheric boundary layer may originate from the nucleation of aerosols from trace condensable vapours4, although the sensitivity of the number of cloud condensation nuclei to changes of nucleation rate may be small5,6. Despite extensive research, fundamental questions remain about the nucleation rate of sulphuric acid particles and the mechanisms responsible, including the roles of galactic cosmic rays and other chemical species such as ammonia7. Here we present the first results from the CLOUD experiment at CERN. We find that atmospherically relevant ammonia mixing ratios of 100 parts per trillion by volume, or less, increase the nucleation rate of sulphuric acid particles more than 100–1,000-fold. Time-resolved molecular measurements reveal that nucleation proceeds by a base-stabilization mechanism involving the stepwise accretion of ammonia molecules. Ions increase the nucleation rate by an additional factor of between two and more than ten at ground-level galactic-cosmic-ray intensities, provided that the nucleation rate lies below the limiting ion-pair production rate. We find that ion-induced binary nucleation of H2SO4–H2O can occur in the mid-troposphere but is negligible in the boundary layer. However, even with the large enhancements in rate due to ammonia and ions, atmospheric concentrations of ammonia and sulphuric acid are insufficient to account for observed boundary-layer nucleation.

Nucleation of aerosol particles from trace atmospheric vapours is thought to provide up to half of global cloud condensation nuclei. Aerosols can cause a net cooling of climate by scattering sunlight and by leading to smaller but more numerous cloud droplets, which makes clouds brighter and extends their lifetimes. Atmospheric aerosols derived from human activities are thought to have compensated for a large fraction of the warming caused by greenhouse gases. However, despite its importance for climate, atmospheric nucleation is poorly understood. Recently, it has been shown that sulphuric acid and ammonia cannot explain particle formation rates observed in the lower atmosphere. It is thought that amines may enhance nucleation, but until now there has been no direct evidence for amine ternary nucleation under atmospheric conditions. Here we use the CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) chamber at CERN and find that dimethylamine above three parts per trillion by volume can enhance particle formation rates more than 1,000-fold compared with ammonia, sufficient to account for the particle formation rates observed in the atmosphere. Molecular analysis of the clusters reveals that the faster nucleation is explained by a base-stabilization mechanism involving acid-amine pairs, which strongly decrease evaporation. The ion-induced contribution is generally small, reflecting the high stability of sulphuric acid-dimethylamine clusters and indicating that galactic cosmic rays exert only a small influence on their formation, except at low overall formation rates. Our experimental measurements are well reproduced by a dynamical model based on quantum chemical calculations of binding energies of molecular clusters, without any fitted parameters. These results show that, in regions of the atmosphere near amine sources, both amines and sulphur dioxide should be considered when assessing the impact of anthropogenic activities on particle formation.

Abstract Ice particle formation in tropospheric clouds significantly changes cloud radiative and microphysical properties. Ice nucleation in the troposphere via homogeneous freezing occurs at temperatures lower than −38°C and relative humidity with respect to ice above 140%. In the absence of these conditions, ice formation can proceed via heterogeneous nucleation aided by aerosol particles known as ice nucleating particles (INPs). In this chapter, new developments in identifying the heterogeneous freezing mechanisms, atmospheric relevance, uncertainties, and unknowns about INPs are described. The change in conventional wisdom regarding the requirements of INPs as new studies discover physical and chemical properties of these particles is explained. INP sources and known reasons for their ice nucleating properties are presented. The need for more studies to systematically identify particle properties that facilitate ice nucleation is highlighted. The atmospheric relevance of long-range transport, aerosol aging, and coating studies (in the laboratory) of INPs are also presented. Possible mechanisms for processes that change the ice nucleating potential of INPs and the corresponding challenges in understanding and applying these in models are discussed. How primary ice nucleation affects total ice crystal number concentrations in clouds and the discrepancy between INP concentrations and ice crystal number concentrations are presented. Finally, limitations of parameterizing INPs and of models in representing known and unknown processes related to heterogeneous ice nucleation processes are discussed.

Out of the Air New-particle formation from gaseous precursors in the atmosphere is a complex and poorly understood process with importance in atmospheric chemistry and climate. Laboratory studies have had trouble reproducing the particle formation rates that must occur in the natural world. Riccobono et al. (p. 717 ) used the CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) chamber at CERN to recreate a realistic atmospheric environment. Sulfuric acid and oxidized organic vapors in typical natural concentrations caused particle nucleation at similar rates to those observed in the lower atmosphere.

The molecular architecture of the cytomatrix of presynaptic nerve terminals is poorly understood. Here we show that Bassoon, a novel protein of >400,000 Mr, is a new component of the presynaptic cytoskeleton. The murine bassoon gene maps to chromosome 9F. A comparison with the corresponding rat cDNA identified 10 exons within its protein-coding region. The Bassoon protein is predicted to contain two double-zinc fingers, several coiled-coil domains, and a stretch of polyglutamines (24 and 11 residues in rat and mouse, respectively). In some human proteins, e.g., Huntingtin, abnormal amplification of such poly-glutamine regions causes late-onset neurodegeneration. Bassoon is highly enriched in synaptic protein preparations. In cultured hippocampal neurons, Bassoon colocalizes with the synaptic vesicle protein synaptophysin and Piccolo, a presynaptic cytomatrix component. At the ultrastructural level, Bassoon is detected in axon terminals of hippocampal neurons where it is highly concentrated in the vicinity of the active zone. Immunogold labeling of synaptosomes revealed that Bassoon is associated with material interspersed between clear synaptic vesicles, and biochemical studies suggest a tight association with cytoskeletal structures. These data indicate that Bassoon is a strong candidate to be involved in cytomatrix organization at the site of neurotransmitter release.

Abstract Clouds play an important role in Arctic amplification. This term represents the recently observed enhanced warming of the Arctic relative to the global increase of near-surface air temperature. However, there are still important knowledge gaps regarding the interplay between Arctic clouds and aerosol particles, and surface properties, as well as turbulent and radiative fluxes that inhibit accurate model simulations of clouds in the Arctic climate system. In an attempt to resolve this so-called Arctic cloud puzzle, two comprehensive and closely coordinated field studies were conducted: the Arctic Cloud Observations Using Airborne Measurements during Polar Day (ACLOUD) aircraft campaign and the Physical Feedbacks of Arctic Boundary Layer, Sea Ice, Cloud and Aerosol (PASCAL) ice breaker expedition. Both observational studies were performed in the framework of the German Arctic Amplification: Climate Relevant Atmospheric and Surface Processes, and Feedback Mechanisms (AC)3 project. They took place in the vicinity of Svalbard, Norway, in May and June 2017. ACLOUD and PASCAL explored four pieces of the Arctic cloud puzzle: cloud properties, aerosol impact on clouds, atmospheric radiation, and turbulent dynamical processes. The two instrumented Polar 5 and Polar 6 aircraft; the icebreaker Research Vessel (R/V) Polarstern ; an ice floe camp including an instrumented tethered balloon; and the permanent ground-based measurement station at Ny-Ålesund, Svalbard, were employed to observe Arctic low- and mid-level mixed-phase clouds and to investigate related atmospheric and surface processes. The Polar 5 aircraft served as a remote sensing observatory examining the clouds from above by downward-looking sensors; the Polar 6 aircraft operated as a flying in situ measurement laboratory sampling inside and below the clouds. Most of the collocated Polar 5/6 flights were conducted either above the R/V Polarstern or over the Ny-Ålesund station, both of which monitored the clouds from below using similar but upward-looking remote sensing techniques as the Polar 5 aircraft. Several of the flights were carried out underneath collocated satellite tracks. The paper motivates the scientific objectives of the ACLOUD/PASCAL observations and describes the measured quantities, retrieved parameters, and the applied complementary instrumentation. Furthermore, it discusses selected measurement results and poses critical research questions to be answered in future papers analyzing the data from the two field campaigns.

Abstract. Immersion freezing is the most relevant heterogeneous ice nucleation mechanism through which ice crystals are formed in mixed-phase clouds. In recent years, an increasing number of laboratory experiments utilizing a variety of instruments have examined immersion freezing activity of atmospherically relevant ice-nucleating particles. However, an intercomparison of these laboratory results is a difficult task because investigators have used different ice nucleation (IN) measurement methods to produce these results. A remaining challenge is to explore the sensitivity and accuracy of these techniques and to understand how the IN results are potentially influenced or biased by experimental parameters associated with these techniques. Within the framework of INUIT (Ice Nuclei Research Unit), we distributed an illite-rich sample (illite NX) as a representative surrogate for atmospheric mineral dust particles to investigators to perform immersion freezing experiments using different IN measurement methods and to obtain IN data as a function of particle concentration, temperature (T), cooling rate and nucleation time. A total of 17 measurement methods were involved in the data intercomparison. Experiments with seven instruments started with the test sample pre-suspended in water before cooling, while 10 other instruments employed water vapor condensation onto dry-dispersed particles followed by immersion freezing. The resulting comprehensive immersion freezing data set was evaluated using the ice nucleation active surface-site density, ns, to develop a representative ns(T) spectrum that spans a wide temperature range (−37 °C < T < −11 °C) and covers 9 orders of magnitude in ns. In general, the 17 immersion freezing measurement techniques deviate, within a range of about 8 °C in terms of temperature, by 3 orders of magnitude with respect to ns. In addition, we show evidence that the immersion freezing efficiency expressed in ns of illite NX particles is relatively independent of droplet size, particle mass in suspension, particle size and cooling rate during freezing. A strong temperature dependence and weak time and size dependence of the immersion freezing efficiency of illite-rich clay mineral particles enabled the ns parameterization solely as a function of temperature. We also characterized the ns(T) spectra and identified a section with a steep slope between −20 and −27 °C, where a large fraction of active sites of our test dust may trigger immersion freezing. This slope was followed by a region with a gentler slope at temperatures below −27 °C. While the agreement between different instruments was reasonable below ~ −27 °C, there seemed to be a different trend in the temperature-dependent ice nucleation activity from the suspension and dry-dispersed particle measurements for this mineral dust, in particular at higher temperatures. For instance, the ice nucleation activity expressed in ns was smaller for the average of the wet suspended samples and higher for the average of the dry-dispersed aerosol samples between about −27 and −18 °C. Only instruments making measurements with wet suspended samples were able to measure ice nucleation above −18 °C. A possible explanation for the deviation between −27 and −18 °C is discussed. Multiple exponential distribution fits in both linear and log space for both specific surface area-based ns(T) and geometric surface area-based ns(T) are provided. These new fits, constrained by using identical reference samples, will help to compare IN measurement methods that are not included in the present study and IN data from future IN instruments.

Abstract. Cloud glaciation is critically important for the global radiation budget (albedo) and for initiation of precipitation. But the freezing of pure water droplets requires cooling to temperatures as low as 235 K. Freezing at higher temperatures requires the presence of an ice nucleator, which serves as a template for arranging water molecules in an ice-like manner. It is often assumed that these ice nucleators have to be insoluble particles. We point out that also free macromolecules which are dissolved in water can efficiently induce ice nucleation: the size of such ice nucleating macromolecules (INMs) is in the range of nanometers, corresponding to the size of the critical ice embryo. As the latter is temperature-dependent, we see a correlation between the size of INMs and the ice nucleation temperature as predicted by classical nucleation theory. Different types of INMs have been found in a wide range of biological species and comprise a variety of chemical structures including proteins, saccharides, and lipids. Our investigation of the fungal species Acremonium implicatum, Isaria farinosa, and Mortierella alpina shows that their ice nucleation activity is caused by proteinaceous water-soluble INMs. We combine these new results and literature data on INMs from fungi, bacteria, and pollen with theoretical calculations to develop a chemical interpretation of ice nucleation and water-soluble INMs. This has atmospheric implications since many of these INMs can be released by fragmentation of the carrier cell and subsequently may be distributed independently. Up to now, this process has not been accounted for in atmospheric models.

ABSTRACT Microbially-produced ice nucleating proteins (INpro) are unique molecular structures with the highest known catalytic efficiency for ice formation. Their critical role in rain formation and frost damage of crops together with their diverse commercial applications warrant an in-depth under-standing of their inherent ice nucleation mechanism. We used the machine-learning based software Al-phaFold to develop the first ab initio structural model of a bacterial INpro which is a novel beta-helix structure consisting of repeated stacks of two beta strands connected by two sharp turns. Using the synchrotron radiation circular dichroism, we validated the β-strand content of the model. Combining functional studies of purified recombinant INpro, electron microscopy and modeling, we further demonstrate that the formation of dimers and higher-order oligomers is key to INpro activity. This work presents a major advance in understanding the molecular foundation for bacterial ice-nucleation activity and the basis for investigating the mechanistic role of INpro-induced ice formation in the atmosphere, and for commercial design and production of ice-nucleating particles for industrial applications.

Abstract Marine viruses have thoroughly been studied in seawater, yet their dispersal from neuston ecosystems at the air-sea interface towards the atmosphere remains a knowledge gap. Here, we show that 6.2 % of the studied virus population were shared between air-sea interface ecosystems and rainwater. Virus enrichment in the 1-mm thin surface microlayer and sea foams happened selectively, and variant analysis proved virus transfer to aerosols and rain. Viruses detected in rain and aerosols showed a significantly higher percent G/C base content compared to marine viruses, and a genetically distinct rain virome supports that those viruses could inhabit higher air masses. CRISPR spacer matches of marine prokaryotes to “foreign” viruses from rainwater prove regular virus-host encounters at the air-sea interface. Our findings on aerosolization and long-range atmospheric dispersal implicate virus-mediated carbon turnover in remote areas, viral dispersal mechanisms relevant to human health, and involvement of viruses in atmospheric processes like ice-nucleation.