RP 3: The importance of ice nuclei types and freezing modes for the initiation of the ice phase and precipitation - Model studies based on laboratory measurements.

Dr. Karoline Diehl

Institut für Physik der Atmosphäre, Johannes Gutenberg Universität Mainz

Dr. Miklós Szakáll

Institut für Physik der Atmosphäre, Johannes Gutenberg Universtität Mainz

 

Mitarbeit: Oliver Eppers (Masterstudent), Amelie Mayer (Bachelorstudent)

 

 

Dieses Projekt untersuchte in Phase 1 den Einfluss von Eisnukleationspartikeln auf konvektive Mischphasen-Wolken. Ein Luftpaketmodell mit detaillierter Wolkenmikrophysik, welches eine direkte Verbindung zwischen Aerosolpartikeln und der Entwicklung von Wolken herstellt, wurde für mikrophysikalische Prozessstudien benutzt. Beschreibungen von heterogenen Gefrierprozessen  (Immersions-, Kontakt- und Depositionsgefrieren) wurden modifiziert oder neu hinzugefügt. Diese Parametrierungen basieren auf früheren und neuen Feld- und Labormessungen, überwiegend  aus der der INUIT-Forschergruppe. Abbildung 1 zeigt experimentelle Daten, die zur Parametrisierung  des Immersionsgefrierens genutzt wurden.

Figure 1: Parameterization of immersion freezing: Numbers of active sites per unit mass as function of temperature for various particle types based on previous and INUIT measurements. From Diehl and Mitra, ACPD, 2015, with changes.

 

Der experimentelle Teil beinhaltete Laborexperimente von Immersions- und Kontaktgefrieren mit Hilfe des Mainzer Vertikalen Windkanals und einer Akustischen Tropfenfalle. Abbildung 2 zeigt Ergebnisbeispiele für Illit NX.

Figure 2: Surface densities of active sites as function of temperature determined from wind tunnel (WT) and acoustic levitator (AL) measurements for various particle surface areas per drop. From Diehl et al., ACP, 2014.

 

Als nächsten Schritt ist für INUIT-2 geplant, ein komplexeres Modellsystem  einzubeziehen. Um die Verbindung zwischen atmosphärischen Aerosolpartikeln, Wolkeneigenschaften und Niederschlägen zu verstehen, wird die Wolkenmikrophysik am besten durch ein spektrales mikrophysikalisches Schema  beschrieben, wie es bereits in Phase 1 genutzt wurde. Früher konnte man diese Schemen  nur mit einfachen Modellen wie Box-  oder achsensymmetrischen Modellen  kombinieren, aber im letzten Jahrzehnt ist aufgrund erweiterter Computerresourcen auch die dreidimensionale Modellierung möglich geworden. Dafür wird mit  das 3D-Modell COSMO-SPECS verwendet .

 

Im experimentellen Teil werden die Experimente zum Immersionsgefrieren mit zwei verschiedenen Techniken fortgeführt, dem  Mainzer Vertikalen Windkanal  und  der Akustischen Tropfenfalle. Für das Kontaktgefrieren werden neue experimentelle Methoden am Windkanal  entwickelt, um realistische Bedingungen zu simulieren. Einzelne unterkühlte Tropfen werden frei im Windkanal ausgeschwebt, während potenzielle Eisnukleationspartikel mit dem Luftstrom mitgeführt werden und wie in realen Wolken mit den Tropfen kollidieren. Die Kollisionsrate wird durch numerische  Integration der Differentialgleichung von Partikelbewegungen in einer viskosen Strömung um einen Tropfen ermittelt.

 

Die Ziele  in INUIT  Phase 2 sind:

  • Entwicklung einer besseren Methode zur Untersuchung von Kontaktgefrieren im Mainzer Vertikalen Windkanal , Vergleich der Ergebnisse mit den INUIT Methoden aus WP-L.
  • Vergleich zweier Methoden zur Untersuchung von Immersionsgefrieren miteinander und mit den Methoden von WP-L und WP-F.
  • Herleitung von Parametrisierung von Immersions-, Kontakt- und Depositionsgefrieren für neue Partikelsorten und Verbesserung von existierenden Parametrisierungen auf der Basis der Ergebnisse von INUIT WP-L und WP-F.
  • Ausbau eines Modells durch verbesserte Beschreibung der Eisnukleation: das 3D- konvektionsauflösende COSMO-SPECS-Modell mit spektralem Mikrophysikschema
  • Beurteilung der atmosphärischen Relevanz von Gefrierprozessen, die in INUIT WP-L und WP-F untersucht  werden.
  • Quantifizierung des Beitrags möglicher Gefrierprozesse zur atmosphärischen Eisbildung in konvektiven Wolken
  • Untersuchung der Sensitivität von Wolkenmikrophysik und Niederschlag auf realistische Variationen von Eisnukleationspartikelsorten und -verteilungen.