Im Folgenden soll der Aufbau und die Funktionsweise des Cloud Condensation Nuclei Counter (kurz CCNC) beschrieben werden. Dabei handelt es sich um ein kommerziell erhältliches Messgerät der Firma Droplet Measurement Technologies nach dem Design von Roberts und Nenes, 2005.

Der CCNC besteht aus einer vertikalen, zylindrischen Säule, in der die Partikel einer konstanten Übersättigung ausgesetzt werden und einem Optical Particle Counter (OPC) unterhalb der Säule, in dem die Partikel detektiert werden. Abbildung 01 zeigt einen Querschnitt durch den Zylinder:

Die Wand des Zylinders ist wärmeleitend und wird am oberen und unteren Ende temperiert. Dabei wird das untere Ende des Zylinders auf eine höhere Temperatur gebracht als das obere, wodurch sich ein konstanter vertikaler Temperaturgradient entlang der Luftsäule innerhalb des Zylinders ausbildet, mit Temperaturzunahme nach unten hin.

Die Wände sind befeuchtet, so dass sich am Rand der Säule der zur jeweiligen Temperatur zugehörige Wasserdampfsättigungsdruck einstellt. Stellt man einen Luftfluss von oben nach unten ein, so passiert Folgendes: Da Wasserdampf in Luft schneller diffundiert als Wärme stellt sich für einen Punkt C an der Mittellinie der Säule die Temperatur des Wandpunktes A T_A ein, aber der Wasserdampfdruck des Wandpunktes B e_B = e_s,B, wobei A höher in der Säule liegt als B. Es gilt also T_B > T_A und damit e_s,B > e_s,A. Für Punkt C stellt sich also eine Übersättigung ein, da e_s,C = e_s,A P < e_C = e_B = e_s,B, also eine Übersättigung SS = (e_s,A / e_s,B) - 1. Diese Übersättigung ist in der Säule entlang der Mittellinie konstant und abhängig vom eingestellten Fluss und der eingestellten Temperaturdifferenz dT zwischen der Temperatur an der Säulenunterkante und der Temperatur an der Säulenoberkante. Diese werden mittels Thermoelementen gemessen und an die zugehörige Software weitergeleitet, die daraus die eingestellte Übersättigung bestimmt.

Einen genaueren Überblick über das Aufbauprinzip gibt die Prinzipskizze (Abbildung 02 von Roberts und Nenes, 2005):

Demnach werden beim Messvorgang zwei Flüsse in den CCNC gelenkt. Der Aerosolstrom wird umgeben von Schleierluft, das heißt partikelfreier, definiert temperierter und gesättigter Luft, die den Aerosolstrom mittig zentriert, so dass die Aerosolpartikel einer konstanten Übersättigung an der Mittellinie ausgesetzt sind. Beim Passieren der Säule werden nun einige Partikel aktiviert.

Unterhalb der Säule befindet sich eine OPC-Einheit. Anhand des gemessenen Streusignals eines Lasers (Wellenlänge 660nm, Leistung 35mW) wird die Partikelgröße jedes detektierten Partikels einem von 20 Bins zugeordnet, die in einem Größenbereich zwischen 0.75µm und 10µm liegen. Je nach Auswahl des Grenzbins werden die Partikel dann als aktiviert oder nicht aktiviert eingestuft. Die Auswahl, ab welchem Bin ein Partikel als aktiviert eingestuft wird, ist besonders für niedrige Übersättigungen notwendig. Da bei diesen erst Partikel mit recht großem Durchmesser aktiviert werden, kann es nämlich passieren, dass diese vom OPC detektiert werden, obwohl sie noch gar nicht aktiviert wurden. Der OPC ist geringfügig wärmer als die Säulenunterkantentemperatur, um ein Kondensieren von Wasser auf die Optik zu verhindern.

Eine Messung, die alleine mit dem CCNC-Gerät durchgeführt wird, liefert die Anzahl der in der Luft vorhandenen CCN bei verschiedenen Übersättigungen. Hierbei werden nacheinander die verschiedenen Übersättigungen eingestellt und die Anzahl der aktivierten Partikel bei der jeweiligen Übersättigung gezählt (N_CCN(SS)).

Wird der CCNC mit einem DMA (Differential Mobility Analyzer) kombiniert , der eine größenaufgelöste Messung möglich macht, so gibt es zwei Möglichkeiten der Messung: Zum einen kann ein Übersättigungsscan durchgeführt werden, bei dem ein trockener Durchmesser konstant selektiert wird und gleichzeitig die Übersättigung variiert wird, oder es wird ein Durchmesserscan durchgeführt, das heißt bei konstanter Übersättigung werden verschiedene trockene Durchmesser durchgescannt. Im Fall der größenaufgelösten Messung liefert das CCNC-Gerät die Anzahl der aktivierten Partikel eines bestimmten trockenen Durchmessers, bei einer bestimmten Übersättigung (N_CCN(d_p, SS)).