Untersuchung des Einflusses der Turbulenz auf das dynamische Wolkentropfenwachstum unter variablen Sättigungsbedingungen (TURtle)

Atmosphärische Wolken sind hochdynamisch und heterogen, wobei Turbulenz und die Tropfenmikrophysik auf vielen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren. Diese Wechselwirkung kann einen grundlegenden Einfluss auf die Wolkenentwicklung und die Form der Tropfengrößenverteilungen haben.

Das Ziel des Projekts TURtle ist es, ein quantitatives Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich durch Turbulenz verursachte Veränderungen der Wasserdampfsättigung auf das Tropfenwachstum und die Variabilität innerhalb von Tropfenpopulationen auswirken. Diese Effekte sind besonders wichtig in Umgebungen, die von überwiegend ungesättigten zu nahezu gesättigten oder übersättigten Bedingungen übergehen. In solchen Umgebungen erreichen Tröpfchen nicht einfach einen einzigen Gleichgewichtszustand: Sie unterliegen schwankenden Bedingungen, während ihr Wachstum mit spezifischen Reaktionsraten verläuft, was im Vergleich zu idealisierten stationären Bedingungen zu veränderten (z.B. verbreiterten und /oder verschobenen) Größenverteilungen führen kann.

Die experimentelle Grundlage von TURtle bildet LACIS-T (Turbulent Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator), ein Feuchtluft-Windkanal am TROPOS. LACIS-T ermöglicht die systematische Steuerung von Schlüsselparametern wie der Zusammensetzung, Anzahl und Größe von Aerosolpartikeln (z. B. größenselektierte, monodisperse NaCl-Partikel), Sättigungsbedingungen (Mittelwert und Breite) sowie der Turbulenzintensität. Dies ermöglicht eine systematische Abbildung von Regimen vom Quasi-Gleichgewicht bis hin zu eindeutig nicht-gleichgewichtigem Tropfenwachstum unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen.

Die Laboruntersuchungen werden durch numerische Strömungssimulationen ergänzt, die uns sowohl bei der Konzeption der Experimente als auch bei der Interpretation der experimentellen Ergebnisse helfen. Die Simulationen werden in OpenFOAM® durchgeführt, um Strömung, Wärme- und Stofftransport sowie Partikel- und Tropfendynamik zu modellieren. Wir haben einen Euler-Lagrange-Ansatz entwickelt, damit das Wachstum einzelner Wolkenpartikel entlang ihrer Trajektorien durch den Simulationsbereich verfolgt werden kann.

Wir konzentrieren uns auf die Tropfengrößenverteilungen. Aufgrund der Turbulenz erhalten wir Sättigungsschwankungen, sodass einzelne Tröpfchen auf unterschiedliche lokale Sättigungen treffen und folglich unterschiedlich wachsen. Dies beeinflusst die Form der Größenverteilung und führt zu einer Verbreiterung, wie unten schematisch dargestellt. Die Quantifizierung dieser Verbreiterung – und ihrer Abhängigkeit von der Turbulenzintensität und den Feuchtigkeitsbedingungen – ist ein zentrales Ziel von TURtle.