Ziel der Laboruntersuchungen zum Thema Eispartikelwachstum von Einzelkristallen ist ein besseres quantitatives Verständnis bzgl. des dynamischen Eispartikelwachstums und hinsichtlich der Einflüsse thermodynamischer Zustandsänderungen auf die optischen Eigenschaften von Eiskristalloberflächen. Das kann helfen, bessere Parametrisierungen für numerische Modelle zu entwickeln, um damit den indirekten Einfluss von Aerosolpartikeln auf das Klima besser verstehen und quantifizieren zu können.

Die Untersuchungen werden in Kooperation mit der Universität Hertfordshire (UK) durchgeführt und wurden von der Europäischen Union innerhalb des EUROCHAMP-2 Forschungsprojektes finanziell unterstützt (finanziert aus dem 7. Rahmenprogramm, Abschnitt "Unterstützung von Forschungsinfrastrukturen - Integrierte Infrastrukturinitiative", E2-2011-12-06-0065).

Die Experimente finden an einem laminaren Strömungsrohr unter genau definierten thermodynamischen Bedingungen statt. Der experimentelle Aufbau (Abb. 1) basiert auf den Erfahrungen mit dem laminaren Wolkensimulator LACIS (Leipzig Cloud Aerosol Simulator, Stratmann et al., 2004). Im Unterschied zu LACIS wird für die Eispartikelwachstumsexperimente kein kontinuierlich strömender Aerosolfluss betrachtet, sondern ein einzelnes Partikel von etwa 5-10 Mikrometern Durchmesser, dass auf einer dünnen Glasfaser fixiert und dann im optischen Messvolumen eines optischen Eispartikelzählers (SID-3 Instrument, Kaye et al., 2008) am Ausgang des Strömungsrohres platziert wird. Zusätzlich zu dem SID-3 Gerät, das kontinuierlich 2-dimensionale Streubilder aufzeichnet ermöglicht ein optisches Mikroskop eine ständige visuelle Kontrolle des Eiskristalls. Beide Geräte zusammen liefern zeitaufgelöste Informationen über die Größe, Form und Oberflächeneigenschaften (wie Oberflächenrauhigkeit, Ulanowski et al., 2012) des Eiskristalls.

  • Abb. 1: Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus

  • Abb. 2: 2-D Lichtstreuung und Mikoskopaufnahmen unterschiedlicher Experimente Quelle:Jens Voigtländer/TROPOS

Im Rahmen dieses Projektes wurden Experimente mit Partikeln verschiedener Substanzen (wie ATD, Kaolinit, Illit, Snowmax, Pollen) unter verschiedenen thermodynamischen Bedingungen durchgeführt. Die Vielzahl der entstehenden Eiskristallformen ist in Abb. 2 anhand einiger Beispiele von Mikroskopaufnahmen und 2-D Streubildern dargestellt.

In den Untersuchungen hat sich gezeigt, dass beim Wachstum die Oberfläche rauher wird. Beim Schrumpfen (Sublimation) nimmt die Rauhigkeit dagegen generell ab. Weiterhin führt das Eiskristallwachstum unter hohen Übersättigungen (bezüglich Eis) zu einer rauheren Oberfläche führt als bei niedrigen Übersättigungen. Auch wiederholte Wachstums- und Sublimationszyklen durch Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit können zu einer allmählich rauher werdenden Eisoberfläche führen. Für die Oberflächeneigenschaften spielen also sowohl die Wachstumsgeschwindigkeit, als auch der Wachstumsgeschichte/Lebenszyklus (Memoryeffekt) des Eiskristalls eine bedeutende Rolle. Die absolute Größe des Eiskristalls hat dagegen keinen Einfluss auf die Rauhigkeit der Eisoberfläche.

  • P. Kaye, E. Hierst, R.S. Greenaway, Z. Ulanowski, E. Hesse, P.J. DeMott, C. Saunders, P. Conolly: Classifying atmospheric ice crystals by spatial light scattering, Opt. Lett., 33(13), 1545-1547, 2008.
  • F. Stratmann, A. Kiselev, S. Wurzler, M. Wendisch, J. Heintzenberg, R.J. Charlson, K. Diehl, H. Wex, S. Schmidt: Laboratory studies and numerical simulations of cloud droplet formation under realistic supersaturation conditions, J. Atmos. Oceanic Technol., 21 (6), 876-887, 2004.
  • Z. Ulanowski, E. Hirst, P.H. Kaye, R.S. Greenaway: Retrieving the size of particles with rough surfaces from 2D scattering patterns: J. Quant. Spectr. Rad. Trans., 113(18), 2457-2464, doi: 10.1016/j.jqsrt.2012.06.019, 2012.
  • J. Voigtländer,C. Chou, H. Bieligk, T. Clauss, S. Hartmann, P. Herenz, D. Niedermeier, G. Ritter, F. Stratmann,. Z. Ulanowski: Surface roughness during depositional growth and sublimation of ice crystals, Atmos. Chem. Phys., 18, 13687-13702, doi.org/10.5194/acp-18-13687-2018, 2018.