Am TROPOS werden im Labor Experimente an Einzelkristallen zum Thema des Eispartikelwachstums durchgeführt. Ziele dieser Untersuchungen sind 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 von der Europäischen Union innerhalb des EUROCHAMP-2 Forschungsprojektes finanziell unterstützt.

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 bisher Experimente mit Partikeln verschiedener Substanzen (wie ATD, Kaolinit, Illit, Snowmax) durchgeführt. Die Vielzahl der entstehenden Eiskristallformen ist in Abb. 2 anhand einiger Beispiele von Mikroskopaufnahmen und 2-D Streubildern dargestellt. Dabei hat sich gezeigt, dass sowohl Eiskristallform als auch Oberflächeneigenschaften vom verwendetem Eiskeim (Partikeltyp) abhängig sind. In den Untersuchungen konnte außerdem nachgewiesen werden, dass sich die Oberflächeneigenschaften (optischen Streueigenschaften) des Eiskristalls in Abhängigkeit seiner Wachstumsrate verändern. Die Oberfläche eines Eiskristalls wird dabei umso rauer, je höher die Wachstumsgeschwindigkeit ist. Auch ein lange fortlaufender Wachstumsprozess scheint zu einer zunehmend rauen Oberfläche zu führen, während das Schrumpfen eher zu einer Glättung der Oberfläche führt. Die Experimente zeigen auch, das die absolute Größe des Eiskristalls dabei keine Rolle spielt.

  • 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, 13th Int. Conference on Electromagnetic & Light Scattering. In: Atti Accad. Pelorit. Pericol. Cl. Sci. Fis. Mat. Nat. 89, Suppl. 1, C1V89S1P087, 2011.
  • 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.