RP 6: From lab to field - examining immersion freezing of atmospheric relevant ice nucleating particles

Dr. Heike Wex

Leibniz-Institut für Troposphärenforschung, Leipzig

 

Mitarbeit: Dr. Susan Hartmann, Sarah Grawe (PhD student), Thomas Conrath (technician), Stefanie Augustin (PhD student)

 

 

Während Phase 1 wurden in RP6 Immersionsgefrier-Messungen mit dem Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS, Hartmann et al., 2011) durchgeführt. Dabei fanden zahlreiche Kooperationen statt, sowohl mit INUIT Partnern als auch mit Partnern außerhalb der INUIT Forschergruppe.  In Phase 1 wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

  • Messungen verschiedener beschichteter und unbeschichteter Mineralstäube (2 Kaolinit-Proben, Illit-NX und eine Feldspat-Probe) haben bestätigt, dass K-Feldspat ein sehr bedeutender Mineralstaub für die Eisnukleation im allgemeinen ist und der am stärksten eisaktive Mineralstaub, der bisher untersucht wurde  (Wex et al., 2014; Augustin-Bauditz et al., 2015) - siehe Abb. 1
Figure 1: A) microcline (a K-feldspar) is clearly the most ice active mineral dust ever examined in LACIS (even more ice active than orthoclase, another K-feldspar with a different crystalline structure); B) a common base line for the ice activity of clay

 

 

  • LACIS und CFDC Messungen des Immersionsgefrierens für Kaolinit-Proben stimmten gut überein (Wex et al., 2014)
  • basierend auf den Messungen von beschichteten Kaolinit-Partikeln mit LACIS und CFDC erscheint es, dass es nur drei grundsätzlich unterschiedliche Gefrierprozesse gibt, so dass eine gemeinsame Beschreibung des Immersionsgefrierens und Kondensationsgefrierens möglich ist (Wex et al., 2004) – siehe Abb. 2
Figure 2: For conditions below water vapor saturation, the ice activiy of coated (i.e. slightly hygroscopic) particles can be described as immersion freezing in concentrated solutions (colored lines with symbols: CFDC measurements, red shaded area and gre

 

  • Immersionsgefrieren skaliert gut mit der Partikeloberfläche für Kaolinit-Partikel (Hartmann et al., 2015); hier ist es wichtig, bei der Nutzung größenselektierter Partikel mehrfach geladene Partikel mit zu berücksichtigen
  • Während INUIT Phase 1 leitete RP6 einen von zwei Ringversuchen zum Vergleich verschiedener Messmethoden; es wurde herausgefunden, dass alle beteiligten Instrument bei der Messung von Immersionsgefrieren induziert durch Snomax übereinstimmende Ergebnisse erzielten (Wex et al., 2015) – siehe Abb. 3
Figure 3: Successful inter-comparison of various instruments examining immersion freezing of Snomax particles, in cooperation with INUIT RP1, RP3, RP4, RP7 and ETH Zürich.

 

  • Illit-NX wurde in einem zweiten Ringversuch, durchgeführt von RP7, untersucht, einschließlich LACIS und 16 weiterer Instrumente (Hiranuma et al., 2015)
  • es wurden Parameterisierungen für die Nukleationsraten einzelner eisbildender Makromoleküle (INM) aus P. syringae Bakterien und Birkenpollen entwickelt (Hartmann et al., 2013, Augustin et al., 2013) – siehe Abb. 4
Figure 4: Nucleation rates or alternatively contact angle distributions could be used to parameterize immersion freezing measurements of particles from pollen washing water well (with a slightly better representation by the latter, in the framework of the

 

  • eine neue, recheneffiziente Version des Soccer Ball Models wurde entwickelt und trug zur Modellierung in RP5 bei, zusammen mit Kontaktwinkelverteilungen hergeleitet aus LACIS für ein Set von verschiedenen INP (Niedermeier et at., 2014, Niedermeier et al., 2015)
  • Es wurden LACIS Messungen durchgeführt für Partikel bestehend aus Mischungen eines Mineralstaubes mit biologischen INP aus Pollen (Augustin-Bauditz et al., 2015) und für Partikel bestehend aus INM von Pilzsporen (Pummer at al., 2015)

 

 

Während INUIT Phase 1 wurden Mineralstaubpartikel und biologische Partikel meist separat untersucht. Die Hauptziele in Phase 2 sind zum einen das fundamentale Verständnis der heterogenen Eisnukleation im Allgemeinen. Zum anderen werden wir auch einen stärkeren Fokus auf die Untersuchung atmosphärisch relevanterer Proben wie gemischte biologisch-mineralische Partikel, Bodenstaub und andere, wie Asche und Partikel der maritimen Oberflächenschicht, legen, einschließlich der Proben für Ringvergleichsmessungen während INUIT Phase 2.

 

Die Ziele des RP6 sind:

  • Untersuchung, Quantifizierung und Parameterisierung des Immersionsgefrierverhaltens verschiedener INP, einschließlich biologischer (Pilzartiger) und besonders gemischter biologisch-mineralischer INP, inbesondere atmosphärisch relevante Materialien (z.B. Bodenstaub) und INUIT-2 Testproben
  • Untersuchung des Einflusses von Oberflächenbehandlungen (z.B. Beschichtungen) auf das Eisnukleationsverhalten von biologischen, gemischt biologisch-mineralischen und Bodenstaub-INP, um Informationen über die chemische und mineralogische Beschaffenheit der INPs und möglicher Alterungseffekte zu erhalten; Ziel ist es, besser zu verstehen, was einen Partikel zu einem effektiven INP macht
  • Ableitung und Vergleich verschiedener Parameterisierungen (sowohl zeitabhängig als auch zeitunabhängig) um sie zur Implementierung in z.B. wolkenauflösenden und/oder größer angelegten Modellen zur Verfügung zu stellen und außerdem zur Vertiefung des Verständnisses der Zeitabhängigkeit bei der Beschreibung von Eisnukleationsprozessen
  • Erweiterung unserer Untersuchungen zur Identifikation des heterogenen Gefriermechanismus unterhalb von Wassersättigung, z.B. Immersionsgefrieren in hochkonzentrierten Lösungen und Depositionseisnukleation

 

 

 

 

References:

Augustin et al. (2013), Immersion freezing of birch pollen washing water, Aerosol Chem. Phys., 13, 10989–11003.
Augustin-Bauditz et al. (2014), The immersion mode ice nucleation behavior of mineral dusts: A comparison of different pure and surface modifed dust, Geophys. Res. Lett., 41, doi:10.1002/2014GL061317.
Augustin-Bauditz et al. (2015), The immersion freezing behavior of mineral dust particles mixed with biological substances, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 15, 29639-29671.
Hartmann et al. (2011), Homogeneous and heterogeneous ice nucleation at LACIS: Operating principle and theoretical studies, Atmos. Chem. Phys., 11, 1753–1767.
Hartmann et al. (2013), Immersion freezing of ice nucleating active protein complexes, Atmos. Chem. Phys., 13, 5751-5766.
Hartmann et al. (2015), Immersion freezing of kaolinite - scaling with particle surface area, J. Atmos. Sci., 10.1175/JAS-D-15-0057.1.
Hiranuma et al. (2015), A comprehensive laboratory study on the immersion freezing behavior of illite NX particles: a comparison of seventeen ice nucleation measurement techniques,  Atmos. Chem. Phys., 15, 2489–2518, doi:10.5194/acp-15-2489-2015.
Niedermeier et al. (2014), A computationally efficient description of heterogeneous freezing: A simplified version of the Soccer ball model, Geophys. Res. Lett., 41, doi:10.1002/2013GL058684. Niedermeier et al. (2015), Can we define an asymptotic value for the ice active surface site density for heterogeneous ice nucleation?, J. Geophys. Res., doi:10.1002/2014JD022814.
Pummer et al. (2015), Ice nucleation by water-soluble macromolecules,  Atmos. Chem. Phys., 15, 4077–4091, doi:10.5194/acp-15-4077-2015.
Wex et al. (2014), Kaolinite particles as ice nuclei: learning from the use of different kaolinite samples and different coatings, Atmos. Chem. Phys., 14, doi:10.5194/acp-14-5529-2014.
Wex et al. (2015), Intercomparing different devices for the investigation of ice nucleating particles using Snomax as test substance, Atmos. Chem. Phys., 15, 1463–1485, doi:10.5194/acp-15-1463-2015.