Authors:	Blohn, Nadine von
Title:	Windkanalstudien zum Graupelwachstum und Bestimmung von Retentionskoeffizienten verschiedener Spurengase während der Bereifung
Online publication date:	17-Jul-2015
Year of first publication:	2015
Language:	german
Abstract:	Am vertikalen Windkanal der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurden physikalische und chemische Bereifungsexperimente durchgeführt. Dabei lagen die Umgebungstemperaturen bei allen Experimenten zwischen etwa -15 und -5°C und der Flüssigwassergehalt erstreckte sich von 0,9 bis etwa 1,6g/m³, typische Bedingungen für Mischphasenwolken in denen Bereifung stattfindet. Oberflächentemperaturmessungen an wachsenden hängenden Graupelpartikeln zeigten, dass während der Experimente trockene Wachstumsbedingungen herrschten.rnZunächst wurde das Graupelwachstum an in einer laminaren Strömung frei schwebenden Eispartikeln mit Anfangsradien zwischen 290 und 380µm, die mit flüssigen unterkühlten Wolkentröpfchen bereift wurden, studiert. Ziel war es, den Kollektionskern aus der Massenzunahme des bereiften Eispartikels und dem mittleren Flüssigwassergehalt während des Wachstumsexperimentes zu bestimmen. Die ermittelten Werte für die Kollektionskerne der bereiften Eispartikel erstreckten sich von 0,9 bis 2,3cm³/s in Abhängigkeit ihres Kollektorimpulses (Masse * Fallgeschwindigkeit des bereifenden Graupels), der zwischen 0,04 und 0,10gcm/s lag. Bei den Experimenten zeigte sich, dass die hier gemessenen Kollektionskerne höher waren im Vergleich mit Kollektionskernen flüssiger Tropfen untereinander. Aus den aktuellen Ergebnissen dieser Arbeit und der vorhandenen Literaturwerte wurde ein empirischer Faktor entwickelt, der von dem Wolkentröpfchenradius abhängig ist und diesen Unterschied beschreibt. Für die untersuchten Größenbereiche von Kollektorpartikel und flüssigen Tröpfchen können die korrigierten Kollektionskernwerte in Wolkenmodelle für die entsprechenden Größen eingebunden werden.rnBei den chemischen Experimenten zu dieser Arbeit wurde die Spurenstoffaufnahme verschiedener atmosphärischer Spurengase (HNO3, HCl, H2O2, NH3 und SO2) während der Bereifung untersucht. Diese Experimente mussten aus technischen Gründen mit hängenden Eispartikeln, dendritischen Eiskristallen und Schneeflocken, bereift mit flüssigen Wolkenlösungströpfchen, durchgeführt werden.rnDie Konzentrationen der Lösung, aus der die Wolkentröpfchen mit Hilfe von Zweistoffdüsen erzeugt wurden, lagen zwischen 1 und 120mg/l. Für die Experimente mit Ammoniak und Schwefeldioxid wurden Konzentrationen zwischen 1 und 22mg/l verwendet. Das Schmelzwasser der bereiften hängenden Graupel und Schneeflocken wurden ionenchromatographisch analysiert und zusammen mit der bekannten Konzentration der bereifenden Wolkentröpfchen konnte der Retentionskoeffizient für jeden Spurenstoff bestimmt werden. Er gibt die Menge an Spurenstoff an, die bei der Phasenumwandlung von flüssig zu fest in die Eisphase übergeht. Salpetersäure und Salzsäure waren nahezu vollständig retiniert (Mittelwerte der gesamten Experimente entsprechend 99±8% und 100±9%). Für Wasserstoffperoxid wurde ein mittlerer Retentionskoeffizient von 65±17% bestimmt. rnDer mittlere Retentionskoeffizient von Ammoniak ergab sich unabhängig vom Flüssigwassergehalt zu 92±21%, während sich für Schwefeldioxid 53±10% für niedrige und 29±7% für hohe Flüssigphasenkonzentrationen ergaben. Bei einigen der untersuchten Spurenstoffe wurde eine Temperaturabhängigkeit beobachtet und wenn möglich durch Parametrisierungen beschrieben.rn Physical and chemical riming experiments were performed at the vertical wind tunnel facility of the Johannes Gutenberg University in Mainz. The ambient temperatures during the experiments were between -15 and -5°C with cloud liquid water contents lying between 0.9 and 1.6g/m³ during all experiments. These conditions are typical for mixed-phase clouds where riming takes place. Surface temperature measurements of growing ice particles in the experimental section of the wind tunnel indicated that a dry growth regime prevailed during all experiments presented in this thesis.rnAt first the collision coalescence growth of single spherical ice particles having initial radii between 290 and 380µm were studied while they were freely floated in a laminar flow containing a cloud of supercooled droplets with radii between 6 and 20µm. The aim of the experiments was to determine the collection kernel from the mass increase of the rimed graupel and the mean cloud liquid water content during the growth experiments. The determined collection kernels attained values between 0.9 and 2.3cm³/s depending on their collector momentums (mass * fall velocity of the riming graupel) which had values between 0.04 and 0.10gcm/s. It was found that the collection kernels of ice particles determined in this study were higher than the collection kernels of liquid drops having the same momentum. To correct for this discrepancy, an empirical factor depending on the cloud droplet radii was obtained from the present results of this thesis as well as from literature data on earlier experiments. For the investigated size ranges of ice particles and droplets, these corrected collection kernels of ice particles could be incorporated in cloud models for the corresponding size ranges.rnIn the second part of this study retention coefficients of different atmospheric trace gases (nitric acid, hydrochloric acid, hydrogen peroxide, ammonia and sulfur dioxide) during riming were experimentally determined. In order to increase the collected rime mass which facilitated chemical analysis, these experiments were carried out with ice particle collectors captively floating at typical graupel terminal velocities and snowflakes on a coarse meshed net. The trace species were present in the supercooled liquid droplets in concentrations from 1 to 120mg/l. For the experiments with ammonia and sulfur dioxide the concentrations were between 1 and 22mg/l. The melt water of the tethered graupel and snowflakes after riming was analysed by ion chromatography and the trace species concentration in the ice phase was determined. Together with the known liquid phase concentration the retention coefficients were calculated in terms of the amount of the species which remained in the ice phase after freezing. rnIt was found that the highly soluble trace gases, nitric and hydrochloric acid, were retained nearly completely 99±8% and 100±9%, respectively) while for hydrogen peroxide a retention of 65±17 was measured. rnFor ammonia an average retention of 92±21% was determined independently of liquid phase concentration while mean values for sulfur dioxide were 53±10% at low liquid phase concentrations and 29±7% at high liquid phase concentrations. Parameterizations derived from different experimental cases describe the retention coefficients as a function of temperature.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1213
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41093
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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