Atmosphärische Wolken sind hochgradig instationäre, inhomogene und diskontinuierliche Gebilde, die sich darüberhinaus über verschiedenste Größenbereiche erstrecken können. Weiterhin bestehen starke Wechselwirkungen zwischen wolkenmikrophysikalischen Prozessen (z.B. Aktivierung von Wolkenkondensationskeimen zu Wolkentropfen, heterogene Eisbildung) und Turbulenz. Um diese Wechselwirkungen unter reproduzierbaren, wohldefinierten thermodynamischen (speziell Temperatur und relative Feuchte) Laborbedingungen gezielt untersuchen zu können, wurde am TROPOS die turbulente Version des Leipzig Aerosol Cloud Turbulence Tunnel (LACIS) entwickelt, ein Windkanal, genannt LACIS-T, mit präzise kontrollierbaren turbulenten Temperatur- und Feuchtefeldern.

Die gewonnen Ergebnisse und Erkenntnisse der Experimente an LACIS-T sind einerseits interessant auf der fundamentalen Prozessebene, werden aber auch helfen die Ergebnisse von in-situ Messungen in atmosphärischen Wolken besser zu interpretieren. Die durchgeführten Untersuchungen werden unser Verständnis bzgl. der Wechselwirkungen zwischen Wolkenmikrophysik und Turbulenz, und damit unser Verständnis von Wolken im Allgemeinen signifikant verbessern.

Das hoch innovative Projekt wurde durch die Leibniz-Gemeinschaft im Rahmes des Paktes für Forschung und Innovation gefördert.

Der turbulente, Feuchtluft-Windkanal LACIS-T im Wolkenlabor the TROPOS, schematische Skizze des Windkanals: © Schulz und Schulz Architekten GmbH; Ingenieurbüro Mathias Lippold, VDI; TROPOS

Messsektion von LACIS-T.

Bei LACIS-T handelt es sich um einen geschlossenen Kanal (Göttingen Typ), in dem die Luft kontinuierlich mit einem Volumenstrom von bis zu 10000 l/min zirkuliert. Die eigentliche Messstrecke des Kanals hat eine Länge von 2 m, eine Breite von 80 cm und eine Tiefe von 20 cm. Die Wolkenbildung erfolgt über turbulente Mischung dreier konditionierter Ströme (d.h. zwei partikelfreie Luftströme und ein Aerosolstrom) und wird am Eintritt in die Messstrecke initiiert. Die zur Mischung der Ströme notwendige Turbulenz wird über zwei passive, planare Gitter in den Luftströmen (je ca. 5.000 l/min) erzeugt. Die zur Zeit verwendete Maschenweite der Gitter beträgt 19 mm, die Kantenlänge der Streben 5 mm. Dadurch werden ca. 30% des Flusses gestaut.

Die Luftströme werden über Nafion-Befeuchter definiert befeuchtet (-40°C < Td < 25°C, Td: Taupunkttemperatur)) und über zwei separate Wärmetauscher temperiert (-40°C < T < 25°C). In der Messstrecke werden beide partikelfreien Luftströme turbulent vermischt, so dass die Strömung gegenüber flüssigem Wasser und/oder Eis lokal übersättigt wird. In der Mischzone werden Aerosolpartikel bekannter Größe, chemischer Zusammensetzung und Anzahl zwischen die beiden Luftströme eingeleitet. In der Messstrecke erfolgt die Charakterisierung der jeweiligen fluid- und thermodynamischen Zustände, sowie der mikrophysikalischen Eigenschaften der gebildeten Wolke (Tropfengröße, Tropfenanzahl, usw.).  Nach dem Passieren der Messstrecke erfolgt die Trocknung des gesamten Stromes, der dann wieder in zwei Ströme aufgespalten wird, welche durch Gebläse angetrieben und durch Filter gereinigt werden, bevor wiederum die Befeuchtung erfolgt.

Mit LACIS-T ist es möglich den Einfluss von Temperatur- und Wasserdampfschwankungen und damit Sättigungsschwankungen auf die Wolkentropfenaktivierung und heterogene Eisbildung mit bekannten Anfangs- und Randbedingungen zu untersuchen.