Laborexperimente zur Mikrophysik der Wolken

Duft, Denis GND

This dissertation represents the written scientific work in the frame of my graduation at the Technical University Ilmenau. It deals mainly with the construction of an experimental setup for investigation of atmospheric particles by means of the Electrodynamic Levitation Technique and subsequent realization of three different experiments. The constructed levitators and vacuum chambers allow variation of temperature, pressure and gas composition in the surrounding of the levitated particle to achieve realistic atmospheric conditions. The low device height permits investigations of metastable systems, for instance droplets of supercooled liquids and supersaturated solutions, to be performed in the focus of conventional microscopes as they are used for Raman- or Infrared spectroscopy. With the presented experimental setup it has been achieved to measure for the first time the refractive index of supercooled liquid water in the temperature regime from 16°C to -36°C. In a second experiment it has been shown that the homogeneous nucleation rate of supercooled liquid water droplets with radii larger than 4µm is volume-dominated. In a third experiment the stability of highly charged liquid droplets has been investigated by analyzing induced shape oscillations of the droplet surface. A modified Rayleigh-Limit for rotation-symmetric deformed charged droplets was proposed and is supported by the experimental data.

Die vorliegende Dissertation stellt den schriftlichen Abschluss der wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen meiner Promotion an der Technischen Universität Ilmenau dar. Die Arbeit beschäftigte sich vorrangig mit der Konstruktion und dem Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung atmosphärisch relevanter geladener Partikel mittels der Technik der elektrodynamischen Levitation und anschließender Durchführung verschiedener Versuche. Die konstruierten Levitatoren und Vakuumkammern wurde dabei derart gestaltet, dass sich Temperatur und Druck, sowie die Zusammensetzung der Gasatmosphäre in dem die Probe umgebenden Volumen zur Simulation atmosphärischer Bedingungen leicht verändern lassen können. Durch die geringe Höhe des Gerätes werden dabei auch Untersuchungen der Partikel im Fokus konventioneller Mikroskope ermöglicht, wie sie zum Beispiel für die Raman- und Infrarotspektroskopie verwendet werden. Mit dem gewählten Aufbau gelang es erstmals, den Brechungsindex stark unterkühlter Wassertropfen im Temperaturbereich von -16°C bis -36°C zu messen. Desweiteren konnte nachgewiesen werden, dass die homogene Nukleationsrate von unterkühlten Wassertropfen mit einem Radius größer 4µm Volumen-dominiert ist.In einem dritten Experiment wurde gezeigt, dass das Stabilitäts-Limit deformierter flüssiger Tropfen gegenüber dem klassischen Rayleigh-Limit mit der Amplitude der Deformation modifiziert werden muss.

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Duft, Denis: Laborexperimente zur Mikrophysik der Wolken. 2011.

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