Eiskeimzähler und -instrumente

Wie Eingangs kurz erläutert, ist die einzige, der-zeit bekannte Möglichkeit ein Aerosolpartikel als Eiskeim zu klassifizieren diesen zu aktivieren.

Der entstandene Eiskristall kann detektiert wer-den und aufgrund seiner Größe oder Polarisati-onseigenschaft vom Hintergrundaerosol unter-schieden werden. Dabei wird impliziert, dass je-dem Eiskristall auch ein Eiskeim zugeordnet werden kann. Für Methoden, welche auf

Immer-Abbildung 1.8: Anteil regnender Wolken mit Eisphase an der Wolken-oberseite in einem Mittel über die Jahre 2006-2011. [Mülmenstädt et al., 2015]

Abbildung 1.9: Schematisches Darstel-lung der Wirkung von INP verschiedener Quellen auf mittelhohe Regenwolken und Cirruswolken [DeMott et al., 2010].

sionsgefrieren basieren, werden gefrorene Tröpfchen ebenfalls durch optische Eigenschaften von flüssigen Tröpfchen unterschieden. Auch hier gilt, dass mind. ein Eiskeim in einem Tröpfchen vorhanden sein muss.

Messgeräte, mit denen die Anzahlkonzentrationen von Eiskeimen ermittelt werden können, werden Eiskeimzähler genannt, wo-bei auch hier essentielle Unterschie-de in Geräteaufbau und Funktions-weisen bestehen. Grundsätzlich können in-situ-Messgeräte von Pro-benahmen unterschieden werden.

Bei in-situ-Messgeräten kann Akti-vierung und Auswertung bereits an Ort und Stelle durchgeführt werden.

Probenahmen von Aerosolproben auf Filtern oder anderen

Der weit verbreitetste und bestverstandene Typ von in-situ-Eiskeiminstrumenten ist die „Con-tinuous Flow Diffusion Chamber (CFDC)“ (in Abbildung 1.10 in unterschiedlichen Baufor-men zu sehen). Diese Art der Diffusionskammern ist seit Jahrzehnten im Einsatz und aus die-sem Grund gut verstanden. Die CFDC nach Rogers et al. besteht beispielsweise aus zwei un-terschiedlich gekühlten, konzentrischen Zylindern (Bauart CFDC-2 Abb. 1.10), welche durch Flutung mit Wasser mit einer dünnen Eisschicht bedeckt werden [Rogers et al., 1988]. Durch die unterschiedliche Kühlung der Zylinder bildet sich im Inneren der Kammer ein Tempera-turgradient aus. Wasserdampf diffundiert vom wärmeren zum kälteren Zylinder, so dass sich ein übersättigter Bereich im Zwischenraum bildet, in welchem Aerosolpartikel aktiviert wer-den können. Die Bauformen von CFDC-1 und CFDC-3 folgen diesem Prinzip der Aktivie-rung. Es werden lediglich plan-parallele Platten anstelle der konzentrischen Zylinder genutzt.

Des Weiteren variiert die Orientierung der Platten. Horizontal orientierte Platten werden z. B.

Abbildung 1.10: Verschiedene Typen von Eiskeimzäh-lern und -instrumenten. Flüssigwassertröpfchen sind als schwarze Punkte und Eiskristalle als hexagonale Plättchen dargestellt. Luftströme sind als Pfeile ge-kennzeichnet, wobei rot wärmere und blaue kältere Bereiche abbildet. [DeMott et al., 2011]

von Kanji und Abbatt benutzt, während vertikal orientierte Platten z. B. bei Stetzer et al. be-nutzt werden ([Kanji und Abbatt, 2009] und [Stetzer et al., 2008]).

Der derzeit einzige, kommerzielle Eiskeimzähler SPIN (engl. „spectrometer for ice nuclei“) von Droplet Measurement Technologies Inc. ist ebenfalls eine CFDC(-3) mit plan-parallelen Platten in vertikaler Anordnung [Garimella et al., 2016]. Die Grundlagen dieses Gerätes beru-hen auf ZINC (engl. „Zurich ice nucleation chamber“) [Stetzer et al., 2008] und der portablen Version PINC (engl. „portable ice nucleation chamber“) [Chou et al., 2011], welche an der Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich entwickelt wurde.

Neben den Methoden mit einer Wachstumskammer können INP auch mit Kamera- und Mi-kroskopmethoden untersucht werden. Beispielsweise können in Wasser gelöste INP tröpf-chenweise auf Oberflächen aufgebracht werden, welche gekühlt werden können und die INP so im Immersionsmode aktivieren. Die Änderung der Reflektivität oder der Lichtdurchlässig-keit weisen auf durchfrierende Tröpfchen hin (z. B. nach [Murray et al., 2010]).

Im Depositionsmode können INP auf einem Probenträger in Diffussionskammern aktiviert werden, wie es u. a. bei FRIDGE (engl. „Frankfurt Ice nuclei Deposition Freezing Experi-ment“) der Fall ist [Schrod et al., 2016]. Die Aerosolproben werden dabei auf Siliziumwafer gesammelt und in einer Vakuumdiffusionskammer aktiviert. Eine Detektierung erfolgt hierbei durch eine CCD-Kamera sowie einer automatisierte Software zum Zählen der Resultate. Im weiteren ist es möglich die Probenträger zusätzlich im Elektronenmikroskop zu untersuchen.

Eine weitere Methode um Eiskeimstudien zu betreiben sind klassische Wolken-Expansions-Kammern, welche erste Experimente schon in den 1940er Jahren zuließen [DeMott et al., 2011]. Auch können mit Windtunnel [Diehl et al., 2014] oder EDB (engl. „electrodynamic balance“) [Hoffmann et al., 2013] für geladene Tropfen Studien über Eisnukleation durchge-führt werden. In diesen Fällen wird das Frieren ebenfalls durch eine CCD-Kammera detek-tiert.

Viele der eingesetzten Techniken zeigen selbst bei Parallelmessungen eines Referenzstoffes deutliche Unterschiede in Anzahlkonzentration der aktivierten INP (u. a. [Hiranuma et al., 2015]). Da derzeit lediglich ein Gerät kommerziell erhältlich ist, welches Anzahlkonzentratio-nen von INP ermitteln kann und die Anschaffung des Gerätes mit erheblichen Kosten verbun-den ist, ist die Anschaffung eines solchen Gerätes nicht immer möglich. Zudem bringt Spin ebenfalls einige Messunsicherheiten mit [Garimella et al., 2016]. Einige Universitäten und Forschungseinrichtungen entwickelten deshalb eigene Messinstrumente und Methoden, um ihren Beitrag zum besseren Verständnis über INP zu leisten.

So auch die Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main, an welcher u. a. der Eiskeimzähler FINCH entwickelt wurde. Mit FINCH soll es möglich sein, Anzahlkonzentrati-onen von Eiskeimen in-situ zu messen. Allerdings zeigte sich, dass reproduzierbare Messun-gen schwer oder gar nicht möglich waren. Durch FehlzählunMessun-gen, Probleme in der Datenauf-nahme und Verarbeitung war es nicht möglich gezielte Messphasen nachzuvollziehen. Weiter waren eine Vielzahl von technischer Hürden die Ursache dafür, dass das komplette System in Frage gestellt wurde. Um diese Problemen zu beheben wurde im Rahmen dieser Arbeit grund-legende Änderungen im Aufbau von FINCH und der Optik durchgeführt sowie die elektrische Signalverarbeitung und die Auswertesoftware ersetzt.

In dieser Arbeit wird anschließend an diese Einführung in einer detaillierten Methodenbe-schreibung das Messgerät und die gemachten Änderungen erläutert. Kapitel 3 und 4 befassen sich mit den Ergebnissen der ersten Messungen und Charakterisierungen des neuen Systems, während in Kapitel 5 erste Anwendungen von FINCH und F-OPS in Labor und Feldexperi-ment präsentiert werden.