© Stephan Mertes
Ein reiner, frei schwebender Wolkentropfen gefriert nicht bei 0°C sondern erst bei ca. -38°C. Der Grund dafür ist, dass für die Bildung der Eisphase eine Energiebarriere überwunden werden muss (Nukleation), ehe der Tropfen gefrieren kann. Einige der atmosphärischen Aerosolpartikel, genannt INP (von englisch „Ice Nucleating Particle"), können als Katalysator dienen, um diese Energiebarriere zu erniedrigen, wodurch die Gefriertemperatur der Tropfen erhöht wird. Dabei spielen die Größe, die chemischen Bestandteile und die Oberflächenbeschaffenheit der INP die entscheidende Rolle.
Wenn ein INP in einem Wolkentropfen enthalten ist, kann dieser deutlich über -38°C gefrieren. Wir haben Aerosolpartikel, wie sie in der Atmosphäre vorkommen, dahingehend im Labor untersucht, ob und bei welcher Temperatur sie als INP fungieren. Es zeigte sich, dass bestimmte Proteine von Bakterien das Gefrieren von unterkühlten Tropfen bei einer Temperatur knapp unter 0°C auslösen. Mineralstaubpartikel, welche Kaliumfeldspat beinhalten, führen zum Tropfengefrieren unterhalb von -20°C. Weiterhin messen wir weltweit, in welchen Konzentrationen solche INP in der Atmosphäre vorkommen. In naher Zukunft wollen wir im Labor auch untersuchen, ob und wie Turbulenz, wie sie in der Atmosphäre auftreten kann, das Gefrieren von Wolkentropfen zusätzlich beeinflusst.
Wenn der Tropfen gefriert, wird er zum Eispartikel und kann in übersättigter Umgebung zum Eiskristall heranwachsen. Dieses Eispartikelwachstum haben wir im Labor untersucht. Eispartikel können nicht nur wachsen, weil sich Wasserdampf anlagert, sondern auch z.B. durch Kollision mit unterkühlten Wolkentropfen (Graupel, Hagel). Während dieses Wachstumsprozesses kann es auch zur Vervielfältigungen von Eispartikeln kommen, wozu wir momentan Laborstudien durchführen. Ebenso sammeln wir Eispartikel aus realen Wolken, um dann zu untersuchen, welche Aerosolpartikel darin enthalten sind, was Rückschlüsse auf die Bildungsmechanismen und die ursprünglichen INP der Eispartikel zulässt.
Hier nochmals die Links zu unseren Forschungsthemen:
Untersuchungen zum Immersionsgefrieren im Labor