Laborexperimente zum Einfluss elektrischer Ladungen auf Wolkenprozesse

Rzesanke, Daniel GND

Manifold studies indicate a correlation between solar activity and terrestrial climate proxies. But within, the coupling link between solar variability and terrestrial weather and climate is missing. For this reason the German Research Foundation (DFG) took part in “CAWSES” (Climate And Weather of the Sun-Earth-System). Within this priority program the present thesis gives an experimental input.A hypothesis therein proposes the solar induced modulation of the terrestrial global electric circuit[1]. This can alter the charging state of comprised clouds and cloud droplets and therefore influence their weather- and climate relevant behavior.Research was focused on dominant microphysical cloud processes and their quantification. An experiment was set up which enables automated levitation, supercooling and manipulation of individual droplets of up to 90µm in diameter.One field of investigation was the homogeneous ice nucleation and the evaporation of super cooled cloud droplets. As results there was no increased probability of ice formation, but appreciable reduced evaporation rates (up to stagnancy) in the presence of net charges.A further series of investigations was dedicated to the interaction of charged cloud droplets with aerosol particles. A method to determine the scavenging efficiency from experimental conditions was developed and validated. It has been demonstrated that polarization induced charges assume a crucial role in the characterization of cloud-aerosol-interaction.For demonstration of a climate relevant impact of the charge state of cloud droplets, the enhanced formation of ice due to contact freezing was emulated. Surrogates of mineral dust particles (pure Illite and Kaolinite aerosols) were provided to the supercooled droplets. The presence of electrostatic enhanced concentrations of potential nuclei raises the probability for ice nucleation by a multiple. An implication is the advancing glaciation of clouds which influences the formation of precipitation and the radiative budget.The therefore used experimental setup combines individual droplet experiments and aerosol generation and classification systems. It establishes a new and ongoing used facility for laboratory experiments on the microphysics of clouds.[1]: Tinsley, B. A. and G. W. Deen (1991), Journal of Geophysical Research (JGR) No. 96 (D12), S. 22,283-22,296, doi:10.1029/91JD02473.

Vielfältigste Studien zeigen eine Korrelation der solaren Aktivität mit terrestrischen Klimaanzeigern. Dabei ist der verbindende Mechanismus, welcher die solare Variabilität mit dem Wettergeschehen in den untersten Atmosphärenschichten der Erde koppelt, bisher unidentifiziert. Aus diesem Grund wurde das DFG-Schwerpunktprogramm “CAWSES“ initiiert, zu welchem die vorliegende Arbeit einen experimentellen Beitrag liefert.Eine der vorgeschlagenen Hypothesen [1] folgt dabei dem Ansatz, dass solare Ereignisse den globalen, terrestrischen Stromkreis modulieren. Der dadurch veränderbare Ladungszustand atmosphärischer Wolken, beziehungsweise Wolkentropfen, kann sich wetter- und somit klimarelevant auswirken.Zur Untersuchung wurde eine Anlage aufgebaut, welche dominante wolkenmikrophysikalische Effekte an geladenen Mikrotropfen nachbildet und quantifiziert. Dazu werden einzelne Tropfen von bis zu 90µm Größe automatisiert in einer elektrodynamischen Falle berührungslos gespeichert, unterkühlt und manipuliert.Untersucht wurden unter anderem die homogene Eisnukleation unterkühlter Wolkentropfen sowie deren Verdunstungsverhalten. Mit dem Ergebnis, dass keine erhöhte Gefrierwahrscheinlichkeit, aber eine deutliche Verzögerung der Verdunstung (bis hin zum Erliegen) in Anwesenheit von Nettoladungen festgestellt wurde.In einer zweiten Serie von Experimenten wurde die Wechselwirkung geladener Wolkentropfen mit den allgegenwärtigen Aerosolen, welche ebenfalls geladen vorkommen, untersucht. Dabei wird eine Möglichkeit entwickelt und validiert, die Sammeleffizienz aus den experimentellen Bedingungen quantitativ zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass der Ladungsinfluenz hierbei eine maßgebliche Rolle zukommt. Zur Demonstration einer klimarelevanten Wirkungskette wurde anhand zweier atmosphärisch relevanter Mineralstaubspezis (Illit- und Kaolinitaerosol) die vermehrte Eispartikelbildung durch unterkühlte Wolkentropfen im Kontaktgefriermodus nachgebildet. Hierbei wird die Gefrierwahrscheinlichkeit durch das elektrostatisch erhöhte Eiskeimangebot erheblich gesteigert. Das dafür geschaffene System, welches Einzeltropfenuntersuchung und Aerosolerzeugung vereint, eröffnet eine neue und weiterhin genutzte Möglichkeit wolkenphysikalischer Experimente im Labormaßstab. [1]: Tinsley, B. A. und G. W. Deen (1991),JGR Nr. 96 (D12), S. 22,283-22,296, doi:10.1029/91JD02473

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Rzesanke, Daniel: Laborexperimente zum Einfluss elektrischer Ladungen auf Wolkenprozesse. 2014.

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