The UV-VIS-NIR spectral optical properties of soot and soot containing aerosols were investigated in detail during the AIDA Soot Aerosol Campaign 1999. One aim of the campaign was a comprehensive comparison of the microphysical properties of Diesel and spark generator soot. The mass specific extinction cross section at λ=450nm of Diesel soot is 10.6±0.5m2g−1 which is almost a factor of two larger than the corresponding value of 5.7±0.3m2g−1 measured for spark generator soot. Coagulation-induced particle growth does not affect the soot extinction cross section and has a weak influence on the scattering properties of the soot aggregates. Atmospheric processing of freshly emitted soot was simulated in mixing experiments. The formation of mixed Diesel soot and dry ammonium sulfate particles by coagulation has only a minor effect on the soot absorption cross section. The coating of spark generated soot with organic material results in a strong increase of the single scattering albedo. A significant increase of the absorption coefficient at λ=473nm during the coating process can be attributed to an enhancement of the specific soot absorption cross section by more than 30%.

The scattering and absorption properties of black carbon (BC) particles internally mixed with secondary organic aerosol (SOA) were investigated experimentally at the large aerosol chamber facility AIDA. Diesel soot particles were coated with secondary organic compounds produced by the in situ ozonolysis of α‐pinene. It was found that the organic coating strongly affects the optical and microphysical properties of the soot aggregates. Amplification factors of the internally mixed BC of 1.8 to 2.1 compared to the specific absorption cross section of externally mixed BC were measured. These amplification factors are well reproduced by a Mie model for concentrically coated spheres over a wide range of organic coating/BC mixing ratios. Other optical properties in particular of thinly coated soot particles, namely, the single scattering albedo, the Ångstrøm exponent, and the hemispheric backscattering ratio, are less well reproduced by the model, most likely because of the restructuring and the incomplete enclosure of the porous soot aggregates.

Abstract. The deposition mode ice nucleation efficiency of various dust aerosols was investigated at cirrus cloud temperatures between 196 and 223 K using the aerosol and cloud chamber facility AIDA (Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere). Arizona test dust (ATD) as a reference material and two dust samples from the Takla Makan desert in Asia (AD1) and the Sahara (SD2) were used for the experiments at simulated cloud conditions. The dust particle sizes were almost lognormally distributed with mode diameters between 0.3 and 0.5 μm and geometric standard deviations between 1.6 and 1.9. Deposition ice nucleation was most efficient on ATD particles with ice-active particle fractions of about 0.6 and 0.8 at an ice saturation ratio Si<1.15 and temperatures of 223 and 209 K, respectively. No significant change of the ice nucleation efficiency was found in up to three subsequent cycles of ice activation and evaporation with the same ATD aerosol. This indicates that the phenomenon of preactivation does not apply to ATD particles. The desert dust samples SD2 and AD1 showed a significantly lower fraction of active deposition nuclei, about 0.25 at 223 K and Si<1.35. For all samples the ice activated aerosol fraction could be approximated by an exponential equation as function of Si. This indicates that deposition ice nucleation on mineral particles may not be treated in the same stochastic sense as homogeneous freezing. The suggested formulation of ice activation spectra may be used to calculate the formation rate of ice crystals in models, if the number concentration of dust particles is known. More experimental work is needed to quantify the variability of the ice activation spectra as function of the temperature and dust particle properties.

Mixed-phase clouds represent a three-phase colloidal system consisting of water vapor, ice particles, and coexisting supercooled liquid droplets. Mixed-phase clouds are ubiquitous in the troposphere, occurring at all latitudes from the polar regions to the tropics. Because of their widespread nature, mixed-phase processes play critical roles in the life cycle of clouds, precipitation formation, cloud electrification, and the radiative energy balance on both regional and global scales. Yet, in spite of many decades of observations and theoretical studies, our knowledge and understanding of mixed-phase cloud processes remains incomplete. Mixed-phase clouds are notoriously difficult to represent in numerical weather prediction and climate models, and their description in theoretical cloud physics still presents complicated challenges. In this chapter, the current status of our knowledge on mixed-phase clouds, obtained from theoretical studies and observations, is reviewed. Recent progress, along with a discussion of problems and gaps in understanding the mixed-phase environment is summarized. Specific steps to improve our knowledge of mixed-phase clouds and their role in the climate and weather system are proposed.

Abstract. Spectral aerosol light absorption is an important parameter for the assessment of the radiation budget of the atmosphere. Although on-line measurement techniques for aerosol light absorption, such as the Aethalometer and the Particle Soot Absorption Photometer (PSAP), have been available for two decades, they are limited in accuracy and spectral resolution because of the need to deposit the aerosol on a filter substrate before measurement. Recently, a 7-wavelength (λ) Aethalometer became commercially available, which covers the visible (VIS) to near-infrared (NIR) spectral range (λ=450–950 nm), and laboratory calibration studies improved the degree of confidence in these measurement techniques. However, the applicability of the laboratory calibration factors to ambient conditions has not been investigated thoroughly yet. As part of the LBA-SMOCC (Large scale Biosphere atmosphere experiment in Amazonia – SMOke aerosols, Clouds, rainfall and Climate) campaign from September to November 2002 in the Amazon basin we performed an extensive field calibration of a 1-λ PSAP and a 7-λ Aethalometer utilizing a photoacoustic spectrometer (PAS, 532 nm) as reference device. Especially during the dry period of the campaign, the aerosol population was dominated by pyrogenic emissions. The most pronounced artifact of integrating-plate type attenuation techniques (e.g. Aethalometer, PSAP) is due to multiple scattering effects within the filter matrix. For the PSAP, we essentially confirmed the laboratory calibration factor by Bond et al. (1999). On the other hand, for the Aethalometer we found a multiple scattering enhancement of 5.23 (or 4.55, if corrected for aerosol scattering), which is significantly larger than the factors previously reported (~2) for laboratory calibrations. While the exact reason for this discrepancy is unknown, the available data from the present and previous studies suggest aerosol mixing (internal versus external) as a likely cause. For Amazonian aerosol, we found no absorption enhancement due to hygroscopic particle growth in the relative humidity (RH) range between 40% and 80%. However, a substantial bias in PSAP sensitivity that correlated with both RH and temperature (T) was observed for 20%<RH<30% and 24°C<T<26°C, respectively. In addition, both PSAP and Aethalometer demonstrated no sensitivity to gaseous adsorption. Although very similar in measurement principle, the PSAP and Aethalometer require markedly different correction factors, which is probably due to the different filter media used. Although on-site calibration of the PSAP and Aethalometer is advisable for best data quality, we recommend a set of "best practice" correction factors for ambient sampling based on the data from the present and previous studies. For this study, the estimated accuracies of the absorption coefficients determined by the PAS, PSAP and Aethalometer were 10, 15 and 20% (95% confidence level), respectively.

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.

The effect of organic coating on the heterogeneous ice nucleation (IN) efficiency of dust particles was investigated at simulated cirrus cloud conditions in the AIDA cloud chamber of Forschungszentrum Karlsruhe. Arizona test dust (ATD) and the clay mineral illite were used as surrogates for atmospheric dust aerosols. The dry dust samples were dispersed into a 3.7 m3 aerosol vessel and either directly transferred into the 84 m3 cloud simulation chamber or coated before with the semi-volatile products from the reaction of α-pinene with ozone in order to mimic the coating of atmospheric dust particles with secondary organic aerosol (SOA) substances. The ice-active fraction was measured in AIDA expansion cooling experiments as a function of the relative humidity with respect to ice, RHi, in the temperature range from 205 to 210 K. Almost all uncoated dust particles with diameters between 0.1 and 1.0 µm acted as efficient deposition mode ice nuclei at RHi between 105 and 120%. This high ice nucleation efficiency was markedly suppressed by coating with SOA. About 20% of the ATD particles coated with a SOA mass fraction of 17 wt% were ice-active at RHi between 115 and 130%, and only 10% of the illite particles coated with an SOA mass fraction of 41 wt% were ice-active at RHi between 160 and 170%. Only a minor fraction of pure SOA particles were ice-active at RHi between 150 and 190%. Strong IN activation of SOA particles was observed only at RHi above 200%, which is clearly above water saturation at the given temperature. The IN suppression and the shift of the heterogeneous IN onset to higher RHi seem to depend on the coating thickness or the fractional surface coverage of the mineral particles. The results indicate that the heterogeneous ice nucleation potential of atmospheric mineral particles may also be suppressed if they are coated with secondary organics.

Abstract The Midlatitude Cirrus experiment (ML-CIRRUS) deployed the High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) to obtain new insights into nucleation, life cycle, and climate impact of natural cirrus and aircraft-induced contrail cirrus. Direct observations of cirrus properties and their variability are still incomplete, currently limiting our understanding of the clouds’ impact on climate. Also, dynamical effects on clouds and feedbacks are not adequately represented in today’s weather prediction models. Here, we present the rationale, objectives, and selected scientific highlights of ML-CIRRUS using the G-550 aircraft of the German atmospheric science community. The first combined in situ–remote sensing cloud mission with HALO united state-of-the-art cloud probes, a lidar and novel ice residual, aerosol, trace gas, and radiation instrumentation. The aircraft observations were accompanied by remote sensing from satellite and ground and by numerical simulations. In spring 2014, HALO performed 16 flights above Europe with a focus on anthropogenic contrail cirrus and midlatitude cirrus induced by frontal systems including warm conveyor belts and other dynamical regimes (jet streams, mountain waves, and convection). Highlights from ML-CIRRUS include 1) new observations of microphysical and radiative cirrus properties and their variability in meteorological regimes typical for midlatitudes, 2) insights into occurrence of in situ–formed and lifted liquid-origin cirrus, 3) validation of cloud forecasts and satellite products, 4) assessment of contrail predictability, and 5) direct observations of contrail cirrus and their distinction from natural cirrus. Hence, ML-CIRRUS provides a comprehensive dataset on cirrus in the densely populated European midlatitudes with the scope to enhance our understanding of cirrus clouds and their role for climate and weather.

Abstract Weather and climate models are challenged by uncertainties and biases in simulating Southern Ocean (SO) radiative fluxes that trace to a poor understanding of cloud, aerosol, precipitation, and radiative processes, and their interactions. Projects between 2016 and 2018 used in situ probes, radar, lidar, and other instruments to make comprehensive measurements of thermodynamics, surface radiation, cloud, precipitation, aerosol, cloud condensation nuclei (CCN), and ice nucleating particles over the SO cold waters, and in ubiquitous liquid and mixed-phase clouds common to this pristine environment. Data including soundings were collected from the NSF–NCAR G-V aircraft flying north–south gradients south of Tasmania, at Macquarie Island, and on the R/V Investigator and RSV Aurora Australis . Synergistically these data characterize boundary layer and free troposphere environmental properties, and represent the most comprehensive data of this type available south of the oceanic polar front, in the cold sector of SO cyclones, and across seasons. Results show largely pristine environments with numerous small and few large aerosols above cloud, suggesting new particle formation and limited long-range transport from continents, high variability in CCN and cloud droplet concentrations, and ubiquitous supercooled water in thin, multilayered clouds, often with small-scale generating cells near cloud top. These observations demonstrate how cloud properties depend on aerosols while highlighting the importance of dynamics and turbulence that likely drive heterogeneity of cloud phase. Satellite retrievals confirmed low clouds were responsible for radiation biases. The combination of models and observations is examining how aerosols and meteorology couple to control SO water and energy budgets.