MORIS - Microphysics Of RIme-Splintering

Laboruntersuchungen zur Sekundären Eisbildung

Mischphasenwolken sind wesentliche Bestandteile des Wetter- und Klimasystems der Erde. In Mischphasenwolken gibt es unterkühlte Wassertropfen und Eispartikel in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und -38°C (Abb. 1). Primäre Eispartikel werden über Nukleationsprozesse gebildet. Oberhalb von ungefähr -38°C findet dieser Prozess nur statt, wenn so genannte Eiskeime (engl.: ice nucleating particles, INP), das Gefrieren katalysieren. In Mischphasenwolken kann die beobachteten Anzahlkonzentration der Eispartikel die der Eiskeime um mehrere Größenordnungen übersteigen. Diese Diskrepanz kann durch sekundäre Eisbildungsprozesse (engl.: secondary ice production, SIP), die zur Multiplikation primärer Eispartikel führen, erklärt werden. Beispiele für SIP Prozesse sind das Zersplittern von Nieseltropfen beim Gefrieren, Fragmentierung durch Sublimation oder als Folge von Kollisionen zwischen Tropfen- Eis und Eis-Eis -Partikeln induzierte Multiplikation.

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der mikrophysikalischen Prozesse einer Mischphasenwolke in Bezug auf sekundäre Eispartikelbildung, Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

  • Abb. 2: Schematischer Aufbau der TROPOS Version von IDEFIX (Abkürzung für engl.: 'Ice Droplets splintEring on FreezIng eXperiment'), Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

  • Abb. 3: Luftgetragene unterkühlte Tropfen kollidieren mit einem an einem Karbonfaserkreuz fixierten Graupelkorn (Durchmesser 1mm) in IDEFIX, Aufnahme mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera, Quelle: Susan Hartmann/TROPOS.

Wir untersuchen den SIP Prozess resultierend aus Tropfen-Eispartikel-Kollisionen im Labor (Abb. 2, IDEFIX, Abkürzung für engl.: 'Ice Droplets splintEring on FreezIng eXperiment').  Kleine, unterkühlte Tropfen frieren nach Kontakt mit einem Graupelkorn (Abb. 3) an dessen Oberfläche, und es werden unter bestimmten Bedingungen sekundäre Eispartikel gebildet. Im Allgemeinen ist dieser SIP Prozess als Hallett-Mossop oder im Englischem unter 'Rime-Splintering' Prozess bekannt. 

Unsere Hauptziele sind es, die sekundär gebildeten Eispartikel zu quantifizieren und die zugrundeliegenden physikalischen Bildungsmechanismen zu identifizieren. 

Im Gegensatz zu früheren Experimenten (Hallett und Mossop, 1974; zusammengefasst in Korolev und Leisner, 2020), bei denen bis zu mehreren hundert sekundäre Eispartikel pro mg Graupelzuwachs bei -5°C beobachtet wurden, konnte in Seidel et al. (2024) kaum sekundäre Eisbildung in Folge von Rime-Splintering beobachtet werden. Dies stellt den oft in Modellen parametrisierten Rime-Splintering Prozess grundlegend in Frage. In Seidel et al. (2024) wurden Temperaturwerte von -4 bis -10 °C, Tropfengrößen zwischen 10 und 50 µm sowie eine Graupelgröße von etwa 1 mm gewählt, um atmosphärennahe Bedingungen zu simulieren. Die Nachweisgrenze für sekundäre Eispartikel lag dabei bei einer Größe von ca. 3 µm. Anhand der IDEFIX Experimente konnte gezeigt werden, dass die Bildung von sekundären Eispartikeln durch beim Gefrieren induzierten thermischen Gradienten als unwahrscheinlich betrachtet, das Gefrieren von Tropfen bei flüchtigem Kontakt mit dem Graupel und das sphärische Gefrieren kleineren Tropfen mit anschließender Fragmentierung als Ursache für SIP ausgeschlossen werden kann. Durch Sublimation von feinen Graupelstrukturen werden sekundäre Eispartikel gebildet, jedoch nur in sehr geringer Anzahl. 

Das Ziel des Folgeprojekts SURE ist es, die Bedingungen bei denen effiziente SIP beim Rime-Splintering stattfindet, genauer zu verstehen und zu quantifizieren. Insbesondere wird der Parameterraum für die Untersuchungen erweitert und der Einfluss der Tropfengrößenverteilung, des Umgebungsdrucks, der Umgebungsfeuchte, sowie der Rotation des Graupelkorns auf die Produktion sekundärer Eispartikel genauer analysiert. 

Das DFG finanzierte Projekt wird in Kooperation mit dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) durchgeführt.

 

Referenzen:

Hallett, J. and S.C. Mossop, Production of secondary ice particles during riming process, Nature, doi: 10.1038/249026a0, 1974.

Korolev, A., & Leisner, T., Review of experimental studies of secondary ice production, Atmospheric Chemistry and Physics, doi:10.5194/acp-20-11767-2020, 2020.

Seidel, J. S., Kiselev, A. A., Keinert, A., Stratmann, F., Leisner, T., and Hartmann, S., Secondary ice production – no evidence of efficient rime-splintering mechanism, Atmospheric Chemistry and Physics, doi: 10.5194/acp-24-5247-2024, 2024.