Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weshalb gefriert Wasser in den Wolken zwischen -5 und -38° Celsius?

11.02.2015

Mineralische und biologische Partikel bringen Wolkentropfen zum Gefrieren, sie wirken also als Eiskeime. Das zeigen Forschende des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) mit einer Vielzahl von Versuchen im Leipziger Wolkenlabor. Von allen untersuchten Mineralstaubpartikeln sei Mikroklin, ein häufig vorkommendes Mineral aus der Gruppe der Feldspate, am eisaktivsten.

Aber auch biologische Partikel wie zum Beispiel Teile von Pollen und Bakterien fördern die Vereisung von Wolkentröpfchen, so die Studien, die in den Geophysical Research Letters sowie in Atmospheric Chemistry and Physics (ACP), einem Open-Access-Journal der European Geoscience Union (EGU), veröffentlicht worden sind.


Wolkensimulator Leipzig (Aerosol Cloud Interaction Simulator/ LACIS) von außen.

Foto: Tilo Arnhold/TROPOS


Laboraufbau im Wolkensimulator Leipzig (Aerosol Cloud Interaction Simulator/ LACIS).

Foto: Tilo Arnhold/ TROPOS

In den gemäßigten Breiten spielten Eiskristalle in mittelhohen Wolken zwischen 2000 und 6000m eine große Rolle. Diese Mischphasenwolken bestehen sowohl aus unterkühlten Wassertröpfchen als auch aus Eiskristallen. Eiskristalle sind im Klimasystem der Erde von Bedeutung, da sie Sonnen- und Wärmestrahlen anders streuen als flüssiges Wasser.

Die Entstehung von Eis ist auch ein sehr wichtiger Schritt bei der Bildung von Niederschlägen. Hinsichtlich der Eisbildung in Wolken und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nach wie vor viele Fragen offen. Mit Modellen, Feldmessungen und Laborversuchen versucht die Wissenschaft daher, diese Fragen zu klären. Dazu gehören auch zum Beispiel Häufigkeit, Größe, Natur (mineralisch, organisch, biologisch), sowie weitere physikalisch-chemischen Eigenschaften der atmosphärischen Eiskeime.

Die homogene Eisbildung, also das selbstständige Gefrieren eines unterkühlten Wassertröpfchens ohne die Zuhilfenahme eines Eiskeimes, läuft in der Erdatmosphäre erst bei Temperaturen unter -38 Grad Celsius ab. Ist an dem Prozess dagegen ein Aerosolpartikel beteiligt, dann wird dieser Gefrierpunkt deutlich nach oben verschoben. Diese heterogene Eisbildung wurde im Labor bereits bei Temperaturen ab -5 Grad Celsius beobachtet.

Allerdings ist die Bandbreite groß: Während manche vom Erdboden aufgewirbelte Mineralstäube die Gefriertemperatur kaum beeinflussen, lässt Mikroklin das Wasser bereits ab -23 Grad Celsius gefrieren. Vermutlich spielt hier die Gitterstruktur auf der Oberfläche des Minerals eine wichtige Rolle. Noch besser funktionieren allerdings Pollen oder Bakterien als Eiskeime: Mit diesen konnte das Gefrieren von Wassertropfen im Leipziger Wolkensimulator des TROPOS bereits ab -18 bzw. -8 Grad Celsius beobachtet werden.

Seit einiger Zeit wurden dort eine Reihe von Experimenten zum so genannten Immersionsgefrieren durchgeführt. Beim Immersionsgefrieren wird das Gefrieren durch einen Eiskeim ausgelöst, der sich innerhalb eines unterkühlten Tropfens befindet. Im Gegensatz dazu wird beim Kontaktgefrieren dieser Prozess von außen initiiert, indem ein unterkühlter Tropfen mit einem geeigneten Eiskeim kollidiert.

Die Eiskeimeigenschaften von verschiedenen Mineralstäuben, Vulkanasche und von biogenen Eiskeimen stehen im Zentrum der DFG-Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research Unit), die von der Goethe-Universität Frankfurt am Main koordiniert wird. Die Untersuchungen im Leipziger Wolkenlabor LACIS sind Teil einer Reihe von Versuchen in verschiedenen Laboren und Feldexperimenten, die seit 2011 laufen. Nach erfolgreicher Begutachtung wurde die Forschergruppe Ende 2014 für weitere 3 Jahre verlängert.

Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen und der daraus abgeleiteten neuen Parametrisierungen werden später in Modelle einfließen, um die Beschreibung der Wolken und die Prozesse darin besser simulieren zu können. Auch im jüngsten Bericht des Weltklimarates IPCC wird der Einfluss von Aerosolpartikeln und Wolken immer noch als der größte Unsicherheitsfaktor in allen Klimamodellen genannt.

Tilo Arnhold

Publikationen:
Augustin-Bauditz, S., H. Wex, S. Kanter, M. Ebert, D. Niedermeier, F. Stolz, A. Prager, and F. Stratmann (2014): The immersion mode ice nucleation behavior of mineral dusts: A comparison of different pure and surface modifed dusts. Geophys. Res. Lett., 41, 7375-7382,
http://dx.doi.org/10.1002/2014GL061317
H. Wex, P. J. DeMott, Y. Tobo, S. Hartmann, M. Rösch, T. Clauss, L. Tomsche, D. Niedermeier, and F. Stratmann (2014): Kaolinite particles as ice nuclei: learning from the use of different kaolinite samples and different coatings. Atmos. Chem. Phys., 14, 5529-5546,
http://www.atmos-chem-phys.net/14/5529/2014/acp-14-5529-2014.html
Niedermeier, D., B. Ervens, T. Clauss, J. Voigtländer, H. Wex, S. Hartmann, and F. Stratmann (2014): A computationally efficient description of heterogeneous freezing: A simplified version of the Soccer ball model. Geophys. Res. Lett., 41, 736-741,
http://dx.doi.org/10.1002/2013GL058684
Hartmann, S., S. Augustin, T. Clauss, H. Wex, T. Santl Temkiv, J. Voigtländer, D. Niedermeier, and F. Stratmann (2013): Immersion freezing of ice nucleating active protein complexes. Atmos. Chem. Phys., 13, 5751-5766,
http://dx.doi.org/10.5194/acp-13-5751-2013
Augustin, S., H. Wex, D. Niedermeier, B. Pummer, H. Grothe, S. Hartmann, L. Tomsche, T. Clauss, J. Voigtländer, K. Ignatius, and F. Stratmann (2013): Immersion freezing of birch pollen washing water. Atmos. Chem. Phys., 13, 10989–11003,
http://dx.doi.org/10.5194/acp-13-10989-2013
Diese Studien wurden von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) im Rahmen der DFG-Forschergruppe INUIT gefördert.

Weitere Infos:
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Dr. Frank Stratmann/ Dr. Heike Wex/ Dr. Stefanie Augustin-Bauditz
Tel.: +49-341-2717-7142, -7146, -7326
http://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/frank-stratmann/
http://www.tropos.de/institut/ueber-uns/mitarbeitende/heike-wex/
http://www.egu.eu/awards-medals/union-osp-award/2014/stefanie-augustin-bauditz/
oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit, Tel. +49-341-2717-7189
http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/

Links:
DFG-Forschergruppe INUIT (Ice Nuclei Research Unit)
http://www.ice-nuclei.de/
http://www.tropos.de/forschung/grossprojekte-infrastruktur-technologie/grossfors...
INUIT auf der EGU2015: Session AS3.6 "Atmospheric Ice Particles"
http://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2014/session/14040
"Leipzig Aerosol and Cloud Interaction Simulator" (LACIS)
http://www.tropos.de/forschung/grossprojekte-infrastruktur-technologie/technolog...
Untersuchungen zum Immersionsgefrieren im LACIS-Labor
http://www.tropos.de/forschung/aerosol-wolken-wechselwirkungen/prozessstudien-au...
AG Wolken des TROPOS:
http://www.tropos.de/institut/abteilungen/experimentelle-aerosol-und-wolkenmikro...

Weitere Informationen:

http://www.tropos.de/aktuelles/pressemitteilungen/details/weshalb-gefriert-wasse...

Tilo Arnhold | TROPOS News

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Open Science auf offener See
19.01.2018 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Bisher älteste bekannte Sauerstoffoase entdeckt
18.01.2018 | Eberhard Karls Universität Tübingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie