RP 8: Chemical and mineralogical characterization of ice nuclei and ice particle residuals

PD Dr. Martin Ebert

Institut für Angewandte Geowissenschaften, Technische Universität Darmstadt

Prof. Dr. Stephan Weinbruch

Institut für Angewandte Geowissenschaften, Technische Universität Darmstadt

Dr. Heinz Bingemer

Institut für Atmosphäre und Umwelt, Goethe-Universität Frankfurt/Main

 

Mitarbeit: Daniel Weber (Doktorand), Anja Danielcok (Doktorandin)

 



Wir verwenden Elektronenmikroskopie zur chemischen und mineralogischen Charakterisierung von eisnukleirenden Aerosolpartikeln (INP = ice nucleating particles) und von Eispartikel-Residuen (IPR = ice particle residues). INP und IPR werden mit einem Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM)  in Proben aus der Atmosphäre analysiert. Diese Proben werden mit vier verschiedenen Methoden gewonnen, die es gestatten, INP oder IPR von der Masse des atmosphärischen Aerosols zu separieren.  Diese Verfahren sind:

Fig. 1: (left) Relative number abundance of different particle groups, separately for ISI, FINCH+IN-PCVI and Ice-CVI as well as for supermicron and submicron INP/IPR (The total number of analyzed particles is shown above the bars).(
Fig. 2: Size distribution of relative abundance of major INP/IPR components for FINCH+IN-PCVI.

 

FINCH ist eine dynamische Mischungskammer, in der in einer Atmosphärenprobe INP zu luftgetragenen Eispartikeln aktiviert, gezählt und nach Verdampfen des Eises auf Substraten angereichert werden.  ICE-CVI und ISI sind virtuelle Impaktoren, die kleine Eiskristalle in einem Gegenstrom trockener, partikelfreier Luft von unaktivierten Aerosolpartikeln trennen.  Nach der Separation in diesen Geräten werden INP bzw. IPR durch Trägheitsabscheidung in einem Impaktor auf Bor-Substraten für die SEM-Analyse angereichert.  Das FRIDGE-Verfahren ist eine Kombination aus elektrostatischer Abscheidung von Aerosolpartikeln auf Silizium-wafern mit nachfolgender Aktivierung der INP auf einem Kühltisch (bei Eisübersättigung), Fotografie, Zählung, und ESEM-Analyse der INP.

 

Wir untersuchen die chemische Zusammensetzung, den Mischungszustand, die Morphologie und die Größe der INP und IPR. Die mineralogischen Phasen silikatischer Partikel werden mit Transmissions-Elektronenmikroskopie untersucht.  Zur Sicherung der Datenqualität wurden die verschiedenen Methoden 2015 auf einem internationalen Workshop an der Wolkensimulationskammer AIDA (RP7) an Blindproben miteinander verglichen. Ebenso wie am Storm Peak Labor (CO, U.S.A.) an natürlicher Luft.


In der Phase 2 des INUIT Projekts wird die elektronemikroskopische Charakterisierung von INP und IPR in Proben, die mit allen vier Methoden gewonnen werden, weitergeführt.  Eine Feld-Messkampagne wird im Frühjahr 2016 in Zypern Situationen außerhalb von Wolken beproben. Eine Kampagne an der Forschungsstation Jungfraujoch in der Schweiz wird im Winter 2017 Situationen in Wolken sowie außerhalb von Wolken beproben.

 

Die ESEM-Analyse von Proben wird in Kombination mit der von FRIDGE entwickelten automatischen und ferngesteuerten Probenahme  von uns eingesetzt, um bei Langzeit-Messungen am Taunus Observatorium die folgenden Fragen in einem klimatologischen Sinn zu untersuchen:

  • Wie groß ist die mittlere Anzahl-Konzentration von INP in Mitteleuropa in Anhängigkeit von Luftmasse,  Partikelspektren und meteorologischen Parametern, und wie ist ihre saisonale Variabilität ?
  • Was sind im Jahresverlauf die Hauptbestandteile der INP (biologische Partikel, Mineralstaub, Ruß, …) ?
  • Werden Konzentration und Qualität (aktivierte Fraktion) der INP am Taunus Observatorium durch Luftverunreinigungen aus dem Raum Frankfurt positiv oder negativ beeinflusst ?
  • Wie sind die relativen Anteile der verschiedenen Gefriermodi  (Immersions- zu Depositions-/Kondensationsgefrierkernen ) in den atmosphärischen INP als Funktion der Temperatur ?

 

Weiterhin werden von der Darmstädter RP8-Gruppe große Mengen von Aerosolmaterial  aus der Atmosphäre angereichert (bis zu einige Gramm), um sie später in Laborexperimenten zur Eisbildung in LACIS und AIDA zu resuspendieren. Dieses Material wird mit XRD und ESEM charakterisiert. Von der  erstmaligen Verwendung von natürlichem Material in Laborexperimenten anstelle von künstlichen Stäuben werden realistischere Ergebnisse erwartet.

 

Fig. 3: Particle collector in Izana (Teneriffe)
Fig. 4: Collector for the electrostatic precipitation of INP in aerosol particles
Fig. 5: Monthly mean IPN number concentration (deposition/condensation mode) at Taunus Observatory measured by FRIDGE
Fig. 6: Mean seasonal variability of INP at Taunus Observatory during 2008-2014
Fig. 7: Ice crystals growing on AgI-Particles on Si substrates in FRIDGE
Fig. 8: Droplet Immersion freezing measurement in FRIDGE: clear droplets are unfrozen, opaque droplets are frozen
Fig. 9: FRIDGE image of Ice crystals growing on environmental INP sampled on Si substrate