Eine interdisziplinäre Projekt zur Untersuchung der sekundären Partikelproduktion durch große Hydrometeore innerhalb atmosphärischer Wolken: eine Studie zur Aktivierung von Wolkenaerosolen (Activation of Aerosols: ActivAero).
Physik des Erdkörpers
Strömungsmechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wettervorhersagemodelle leiden unter unserem begrenzten Wissen über die miteinander verbundenen physikalischen und chemischen Prozesse auf den großen Skalen der Wolken, die eine Quelle der Unsicherheit in der Klimawissenschaft und der atmosphärischen Zirkulation bleiben. Die Produktion von Sekundärteilchen ist ein solcher Prozess, der den Lebenszyklus von Wolken, ihre Strahlungseigenschaften und die Verbreiterung der Teilchengröße durch Kollisionen aktiv steuert, aber immer noch nicht gut verstanden wird. Dieses Walter- Benjamin-Projekt untersuchte mehrere Forschungsfragen, die für das Verständnis der sekundären Partikelproduktion relevant sind. Dieses Projekt umfasste eine multidisziplinäre Ausbildung in numerischer, experimenteller und theoretischer Physik sowie mehrere interdisziplinäre Kooperationen. Die Frage der Sekundärpartikelproduktion in Wolken durch Aerosolaktivierung in der übersättigten Nachlaufströmung großer Niederschlagshydrometer erforderte die Entwicklung einer neuen numerischen Software. Die detaillierte Untersuchung ergab, dass die numerischen Methoden zur Simulation der Temperatur- oder Wasserdampfdiffusion von der Oberfläche solcher Hydrometeore deutlich verbessert werden müssen. Das Niederschlags- oder Absetzverhalten von nicht kugelförmigen Hydrometeoren oder atmosphärischen Partikeln wie Schneepartikeln, Vulkanasche, Mikroplastik oder Pollen hängt in hohem Maße von ihrer Form ab, die auch ihre Tendenz zur Kollision oder Aggregation beeinflusst. Selbst beim Verständnis der Absetzungsdynamik einzelner solcher Partikel klafft eine große Lücke in unserem Wissen. Eine Reihe von hochpräzisen Partikelverfolgungsexperimenten wurde für nicht kugelförmige Partikel von sphäroidischer und ellipsoidischer Form mit einer Größe von weniger als einem Millimeter durchgeführt. Die experimentellen Daten zeigen, dass solche Partikel je nach Partikelform mit unterschiedlichen Frequenzen um ihre stabile Absetzorientierung oszillieren und mit ihrer größten der Schwerkraft zugewandten Oberfläche fallen. Eine theoretische Untersuchung der dynamischen Kräfte und Momente, denen die Partikel ausgesetzt sind, zeigt, dass die Trägheit der Partikel überwiegt und den Übergang der Partikel zu ihrer stabilen Absetzorientierung verzögert. Ein solches Verhalten verschwindet normalerweise, wenn ein ähnliches Teilchen durch Wasser fällt und sich stattdessen in seiner stabilen Absetzorientierung ohne jegliche Schwingungen stabilisiert. Eine solche Dynamik würde zu starken Unterschieden zwischen Partikeln unterschiedlicher Form führen, z. B. zwischen Schneeflocken und Eisnadeln, und die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen erhöhen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inertial angular dynamics of non-spherical atmospheric particles
T. Bhowmick et al.
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Shape matters: long-range transport of microplastic fibers in the atmosphere
D. Tatsii; S. Bucci & T. Bhowmick et al.
