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 einen Nukleationsprozess 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 von Eispartikel, Zersplittern gefrierender Tropfen und Eissplitterproduktion durch Tropfen-Eispartikel-Kollisionen und Eispartikel-Eispartikel-Kollisionen [6, 7] 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: SEM (engl. für "Scanning Electron Microscopy") Bild eines bereiften (festgefrorene kleine Tröpfchen) hexagonalen Eiskristalls veröffentlicht in Rango et al. (2003) [9].

  • Abb. 3: CFD Simulation mit OpenFOAM® zur Kammerauslegung: Geschwindigkeitsfeld um den Graupel (grauer Kreis) mit Flugbahnen sekundär emittierter Eispartikel (weiße Punkte), Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

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 [8]. 

Das DFG finanzierte Projekt ist ein gemeinsames Projekt zusammen mit dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und begann im Frühjahr 2018. Das KIT konzentriert sich dabei auf den SIP Mechanismus des Zersplitterns gefrierender Tropfen.

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.

 

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. Hallett, J. and S.C. Mossop, Production of secondary ice particles during riming process, Nature, doi: 10.1038/249026a0, 1974.
  9. Rango, A. et al., Rime and graupel: Description and characterization as revealed by low-temperature scanning electron microscopy, Scanning, doi:10.1002/sca.4950250304, 2003.