Mischphasenwolken sind wesentliche Bestandteile des Wetter- und Klimasystems der Erde, treten zwischen 0°C und -38°C auf und zeichnen sich durch gleichzeitiges Auftreten von unterkühlten flüssigen Wassertropfen und Eispartikeln aus (Abb. 1). Primäre Eispartikel werden über Nukleationsprozesse gebildet. Oberhalb von ungefähr -38°C findet Eisnukleation nur statt, wenn ein so genannter Eiskeim (engl.: ice nucleating particle, INP), den Prozess katalysiert. Flugzeugmessungen von bestimmten Mischphasenwolken zeigen eine starke Diskrepanz zwischen der beobachteten Eispartikel- und Eiskeimanzahlkonzentration von einer bis vier Größenordnungen [1-5]. Sekundäre Eisbildungsmechanismen (engl.: secondary ice production, SIP) wie zum Beispiel mechanische Fragmentierung oder Sublimation von Eispartikel, Zersplittern gefrierender Tropfen und Eissplitterproduktion durch Tropfen-Eispartikel-Kollisionen und Eispartikel-Eispartikel-Kollisionen [6-8] wurden vorgeschlagen, die zur Multiplikation primärer Eispartikel führen und die beobachtete Diskrepanz erklären können.

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der mikrophysikalischen Prozesse einer Mischphasenwolke in Bezug auf sekundäre Eispartikelbildung, Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

  • Abb. 2: Schematischer Aufbau der TROPOS Version von IDEFIX (Abkürzung für engl.: 'Ice Droplets splintEring on FreezIng eXperiment'), Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

  • Abb. 3: Luftgetragene unterkühlte Tropfen kollidieren mit einem an einem Karbonfasernkreuz fixierten 1mm im Durchmesser großen Eispartikel in IDEFIX, mit Hochgeschwindigkeits-Videokamera aufgenommenes Bild, Quelle: Alice Keinert/KIT.

Hier am TROPOS, konzentrieren wir uns auf den SIP Mechanismus, der eine Folge von Tropfen-Eispartikel-Kollisionen ist, d.h. wenn kleine unterkühlte Tropfen bei Kontakt mit einem großen Eispartikel (Graupelkorn, Abb. 2) gefrieren und unter bestimmten, noch zu untersuchenden Bedingungen kleine Eissplitter herausschleudern. Im Allgemeinen ist dieser SIP Mechanismus bekannt als Hallett-Mossop Prozess oder im Englischem unter 'rime-splintering' [8]. 

Das DFG finanzierte Projekt ist ein gemeinsames Projekt zusammen mit dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) [10,11].

Die Hauptziele des Projektes sind:

  • Entwicklung eines neuen experimentellen Aufbaus um sekundäre Eispartikelbildung via Tropfen-Eispartikel-Kollisionen und Zersplittern gefrierender Tropfen zu untersuchen
  • Identifizierung der zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen beider Prozesse
  • Quantifizierung der Anzahl sekundär gebildeter Eispartikel für beide Prozesse.

Der neue Versuchsaufbau IDEFIX wurde entwickelt, gebaut, charakterisiert und erste Versuche erfolgreich in enger Zusammenarbeit mit dem KIT durchgeführt.

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Förderkennzeichen HA 8322/1-1).

 

Referenzen:

  1. Mossop, S.C., The origin and concentration of ice crystals in clouds, Bulletin of the American Meteorological Society, doi: 10.1175/1520-0477(1985)066<0264:toacoi>2.0.co;2, 1985.
  2. Hobbs, P.V. and A.L. Rangno, Ice Particle Concentrations In Clouds, Journal of the Atmospheric Sciences, 1985.
  3. Hogan, R.J. et al., Properties of embedded convection in warm-frontal mixed-phase cloud from aircraft and polarimetric radar, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, doi: 10.1256/003590002321042054, 2002.
  4. Taylor, J.W. et al., Observations of cloud microphysics and ice formation during COPE, Atmos. Chem. Phys., doi: 10.5194/acp-16-799-2016, 2016.
  5. Crosier, J. et al., Observations of ice multiplication in a weakly convective cell embedded in supercooled mid-level stratus, Atmospheric Chemistry and Physics, doi: 10.5194/acp-11-257-2011, 2011.
  6. Pruppacher, H.R. and J.D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation. 2010, Springer Dordrecht.
  7. Field, P.R. et al., Chapter 7. Secondary Ice Production - current state of the science and recommendations for the future, Meteorological Monographs, doi: 10.1175/amsmonographs-d-16-0014.1, 2016.
  8. Korolev, A., & Leisner, T., Review of experimental studies of secondary ice production, Atmospheric Chemistry and Physics, doi:10.5194/acp-20-11767-2020, 2020.
  9. Hallett, J. and S.C. Mossop, Production of secondary ice particles during riming process, Nature, doi: 10.1038/249026a0, 1974.
  10. Keinert, Alice, Dominik Spannagel, Thomas Leisner, and Alexei Kiselev, Secondary Ice Production upon Freezing of Freely Falling Drizzle Droplets, Journal of the Atmospheric Sciences, doi: 10.1175/jas-d-20-0081.1, 2020.
  11. Kleinheins, J., Kiselev, A., Keinert, A., Kind, M., & Leisner, T., Thermal Imaging of Freezing Drizzle Droplets: Pressure Release Events as a Source of Secondary Ice Particles, Journal of the Atmospheric Sciences, doi:10.1175/jas-d-20-0323.1, 2021.