Off-Line Messungen von INP

Reine Wassertröpfchen gefrieren erst unterhalb von ~ -38°C, da für die Bildung des ersten kleinen Eiskeims im Tropfen zuerst eine Energiebarriere überwunden werden muss, die erst bei dieser niedrigen Temperatur so niedrig ist, dass sie auf in Wolken vorkommenden Zeitskalen überwunden werden kann. Wolken zwischen 0 und -38°C enthalten in der Natur aber durchaus Eiskristalle. Zu deren Bildung tragen eisnukleierende Partikel bei (INP von englisch Ice Nucleating Particles), die als Katalysator fungieren. (Hier geht es zu Ergebnissen zum Thema INP, die am TROPOS im Labor und im Feld erhalten wurden.)

Atmosphärische Anzahlkonzentrationen von INP sind sehr gering (~1 m-3 bis ~100 L-1). Zu deren Messung wurden am TROPOS zwei verschiedene off-line Analysemöglichkeiten geschaffen, die hier vorgestellt werden. Beiden ist gemeinsam, dass in ihnen sowohl Suspensionen von Materialien wie z.B. Mineralstäube untersucht werden können, aber auch Filterproben atmosphärischer Luft, wobei das Sammeln auf den Filtern als Aufkonzentration angesehen werden kann. Abhängig vom Filtermaterial werden die gesammelten Partikel abgewaschen, und das Waschwasser wird direkt für Experimente verwendet. Alternativ werden Filterstückchen mit einem Durchmesser von 1mm ausgestochen und in reines Wasser getaucht, wobei diese Methode nur im Fall von INDA (s.u.) verwendet werden kann.

LINA (Leipzig Ice Nucleation Array)

Das Kernstück von LINA ist eine 4cm x 4cm große, durch ein Peltier-Element gekühlte Platte. Ein gereinigtes und hydrophobisiertes Glasplättchen (4cm Durchmesser) wird zu Experimentbeginn auf diese Platte gelegt. Eine Aluminiumscheibe gleicher Größe (mit 90 Löchern a 2mm Durchmesser) wird auf dem Glasplättchen befestigt und in jedes Loch wird mit einer Pipette ein Tröpfchen der zu untersuchenden Suspension mit einem Volumen von 1μL eingebracht. Das Aluminiumplättchen wird dann mit einem weiteren Glasplättchen abgedeckt. All dies befindet sich in einem Gehäuse mit einem Sichtfenster, so dass die Tröpfchen von oben beobachtet werden können. Das Gehäuse wird mit trockener Luft durchspült, um während des Experiments ein Beschlagen des Fensters zu vermeiden. Oberhalb des Fensters sind eine Kamera und eine ringförmige Beleuchtung installiert.

Während eines Experiments werden die Tröpfchen üblicherweise mit einer Kühlrate von 1K/min gekühlt. Die Kamera nimmt alle 6s ein Bild auf, es wird also eine Temperaturauflösung von 0.1K erreicht. Im Moment des Gefrierens wird das Licht der Beleuchtung nicht mehr gespiegelt, womit sich gefrorene Tropfen leicht von ungefrorenen unterscheiden lassen. Die Auswertung (Anzahl gefrorener Tropfen bei jedem Temperaturschritt) erfolgt automatisch. Im hier gezeigten Beispielbild (Foto oben, links) sind bei einer Temperatur von -24.2°C 21 Tropfen gefroren. Weitere Informationen z.B. zur weiteren Verwendung der Daten aber auch zur Bestimmung des Hintergrunds oder zur Kalibrierung können der Literatur entnommen werden (z.B. Chen et al., 2018; Knackstedt et al, 2018). Der Aufbau wurde in Teilen dem in Budke & Koop (2015) beschriebenen nachempfunden.

INDA (Ice Nucleation Droplet Array)

Für INDA verwenden wir 96-well PCR-Platten. 50μL der zu untersuchenden Suspension werden in jedes der 96 separaten Röhrchen eingebracht. Falls Quarzfaserfilter untersucht werden, wird jedes Röhrchen mit 50μL reinem Wasser befüllt, in das dann ein ausgestanztes Stück des Filters (Durchmesser 1mm) eingebracht wird. Die so vorbereitete PCR-Platte wird mit einer Folie verschlossen, und wird derart in einem Thermostaten befestigt, dass der Flüssigkeitsspiegel in den Röhrchen unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in dem Thermostaten ist. Im Thermostat, unterhalb der PCR-Platte, befindet sich eine Lichtquelle. Der Thermostat wird dann um ~1K/min abgekühlt. Eine Kamera, die über der PCR-Platte angebracht ist, nimmt alle 0.1K ein Foto auf. Wie bei LINA, so lassen sich auch hier gefrorene Tropfen visuell leicht von ungefrorenen unterscheiden (s. Einsatz links mit Eis in 25 Röhrchen - die kleinen Punkte in den ungefrorenen Röhrchen sind die ausgestanzten Filterstückchen.)

Auch hier können weitere Informationen z.B. zur weiteren Verwendung der Daten aber auch zur Bestimmung des Hintergrunds oder zur Kalibrierung der Literatur entnommen werden (z.B. Chen et al., 2018; Knackstedt et al, 2018). Der Aufbau wurde in Teilen dem in Conen et al. (2012) beschriebenen nachempfunden, wobei die Verwendung von PCR-Platten in Hill et al. (2014) vorgeschlagen wurde.

Kontakt