Mechanismen der sekundären Eisbildung: Eissplitterung bei der Graupelbildung und gefrierender Tropfen - Schwerpunkt Wolkenmikrophysik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Alexei Kiselev; Professorin Dr. Mira Pöhlker
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386137169

Der Klimaeffekt von Wolken hängt stark von der Konzentration, Größe und Form der Tropfen und Eiskristallen ab. Beobachtungen haben gezeigt, dass die Konzentration der gemessenen Eiskristalle in Mischphasenwolken, die der primär über Eiskeime gebildeten Eiskristalle um Größenordnungen übersteigen kann. Dies zeigt die potenzielle Signifikanz der sekundären Eisbildungsprozesse (SIP) in verschiedenen Wolkenarten und Regionen. Mehrere SIP Mechanismen, darunter Eissplitterung bei der Graupelbildung (RS, bekannt als Hallett-Mossop-Prozess) und gefrierender Tropfen (DF) wurden vorgeschlagen. Im Gegensatz zur primären Eisbildung gibt es kaum neuere SIP Laborstudien, viele Schlüsselexperimente sind Jahrzehnte alt und eine Neubewertung mit modernen Technologien fehlt. Um detaillierte Laborstudien zur Untersuchung RS- und DF-Mechanismen durchführen zu können, entwickelten wir zwei neue Versuchsaufbauten. Bezüglich RS haben wir im vorangegangenen Projekt im Gegensatz zu früheren Laborexperimenten kein effizientes SIP bei der Graupelbildung innerhalb des untersuchten Parameterbereiches beobachtet. Vielmehr beobachteten wir eine geringe Anzahl von SIP-Partikeln durch sublimierende und abbrechende Graupelstrukturen. Zwei vermutete RS-Mechanismen konnten ausgeschlossen werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen bleiben kritische Fragen offen, wie z.B. die Rolle von Tropfengrößen kleiner als 12 µm, die Rauhigkeit der Eisoberfläche und der Einfluss von Graupelrotation sowie Umgebungsfeuchte und -druck auf den RS-Mechanismus, der Gegenstand der aktuellen Projektidee sind. In Bezug auf den DF-SIP-Mechanismus haben wir festgestellt, dass die Häufigkeit potenzieller SIP-Ereignisse - wie Aufbrechen, Aufspalten, Ausstoßen und Platzen von Blasen - zunimmt, wenn Tropfen im freien Fall gefrieren. Außerdem haben wir den Druckanstieg im Inneren gefrierender Nieselregentropfen gemessen und gezeigt, dass gefrierende Tropfen eine Reihe von Druckabbauereignissen (PRE) durchlaufen, die möglicherweise zur Freisetzung von SIP-Partikel führen. Bisher war es noch nicht möglich, die genaue Anzahl der pro PRE erzeugten SIP-Partikel zu bestimmen oder die Beziehung zwischen der Tropfengröße, dem Umgebungsdruck und der Anzahl der PREs zu untersuchen. Die Beantwortung dieser offenen Fragen ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung genauer Parametrisierungen, die in Wolkenmodelle integriert werden können, um die Vorhersage von Eisbildungsprozessen und Wolkenmikrophysik in Wetter- und Klimasimulationen zu verbessern. In diesem Folgeantrag wollen wir diese unbeantworteten Fragen angehen und unser Verständnis der RS- und DF-SIP-Mechanismen weiter vertiefen, indem wir den Bereich der Parameter in unseren Versuchsaufbauten erweitern, so dass sie für realistische Wolkenbedingungen repräsentativer sind. Dazu werden wir die Versuchsaufbauten, die in der ersten Phase des Projektes entworfen und gebaut wurden, modifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen