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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

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