Gliederung der Vorlesung

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1 Gliederung der Vorlesung Aerosol- und Wolkenphysik Entstehung, Transport und Lebensdauer von Aerosolen Größenverteilung des Aerosols Wirkung des Aerosols auf das Klima Wolkenbildung - Krümmungseffekt - Lösungseffekt Wachstum von Wolkentropfen - Diffusionswachstum - Wachstum durch Kollision/Koagulation - Eiskristalle Niederschlagsbildung - warmer Regen - kalter Regen 2. Vorlesung 3. Vorlesung 1. Vorlesung

2 Lerninhalte 3. Vorlesung Was beschreibt die Kelvin-Formel? Wie wird sie abgeleitet? Bei welcher relativen Feuchte ist ein 0.01 (0.1) µm großer Tropfen stabil? Was beschreibt das Raoult-Gesetz? Welche Wirkung haben Aerosole bei der Tropfenbildung? Wovon hängt die Form der Köhlerkurve ab? Wodurch wachsen Tropfen nach ihrer Aktivierung? Welche Rolle spielt die Anfangsgröße eines Tropfens bei der Entwicklung zum Regentropfen? Wovon hängt die Fallgeschwindigkeit eines Tropfens ab? Wie verhalten sich Tropfenanzahl, Tropfenradius und Flüssigwassergehalt als Funktion der Höhe in einer Wolke?

3 Köhler-Kurve Erhöhung der Übersättigung, z.b. durch weiteres Aufsteigen S* stabil instabil Tropfenwachstum, da bei größerem Radius weniger Übesättigung benötigt wird gequollenes Aerosol r* Partikel ist aktiviert = Wolkentropfen (Hilding Köhler, ; Professor für Meteorologie, Uppsala, S)

4 Kondensationskerne Damit vollständig wasseranziehende, aber wasserunlösliche Teilchen bei einer Übersättigung von 1% als Kondensationskern wirken,müssen sie mindestens einen Radius von ca. 0.1 μm haben. Für wasserlösliche Teilchen genügt bereits der Radius 0.01 μm. Wegen dieser Anforderungen (Größe, Wasserlöslichkeit, Benetzbarkeit) ist nur ein kleiner Bruchteil der Aerosolteilchen als Kondensationkern geeignet (ca. 1% in kontinentaler Luft und ca. 10% bis 20% in maritimer Luft). Die meisten KK bestehen vermutlich aus einem unlöslichen Kern und angelagerten löslichen Komponenten (sogenannte gemischte Kerne).

5 Ozean gegenüber Land Aerosoltropfengrößenverteilung Hawaii orograpfisch Hawaii stratus Passat Australien kontinental Regnet eine Wolke über dem Ozean eher als eine über dem Kontinent (bei gleicher Mächtigkeiz und Flüssigwassergehalt?

6 Wolkenmikrostruktur Variation mit der Höhe in einer Wolke nach Rogers und Yau (1989)

7 Wolkenmikrostruktur Variation mit der Höhe in einer Wolke Mittelwerte 602 cu Fälle Warner (1955) Maxima nach Rogers und Yau (1989) von Gerber (2000)

8 Cloud Top Entrainment Instabilität an Wolkenoberkante: trockene Luft oberhalb der Wolke (Fluid 1) gelangt in Inversion und wird mit Wolkenluft (Fluid 2) gemischt Mischung kann aufgrund der sich einstellenden Verdunstung dichter als die anderen beiden Fluide sein -> Turbulente Vermischung Prozess zur Verbreiterung des Tropfenspektrums

9 Eis in der Atmosphäre Eis-Nukleation und Wachstum noch komplizierter als Tropfennukleation!

10 Kalter Wolken In mittleren Breiten liegen die Temperaturen in den Wolken häufig unter 0 C. In diesen sogenannten kalten Wolken gibt es auch Tropfen aus flüssigem Wasser (Unterkühlte Tropfen bis ca. -40 C möglich). Bei Temperaturen unter -10 C kann eine kalte Wolke sowohl Eiskristalle als auch unterkühlte Wassertropfen (Mischwolke) enthalten. Wolken, die ausschließlich aus Eiskristallen bestehen (Eiswolken), bilden sich meist erst unter -35 C, d.h. in Höhen oberhalb 6000 m bis 7000 m.; Ein unterkühlter Wassertropfen befindet sich in einem instabilen Gleichgewicht. Der Tropfen gefriert jedoch erst, wenn im Tropfen ausreichend viele Wassermoleküle so zusammenkommen, daß ein genügend großer Eiskeim entsteht. Auf der Oberfläche sogenannter Gefrierkerne können sich Wassermoleküle so anordnen, daß eine eisähnliche Struktur entsteht, deren Größe für ein weiteres Wachstum ausreicht. Als Gefrierkerne eignen sich Teilchen, die einen ähnlichen Aufbau wie die Eiskristalle haben (z. B. Mineralkristalle).

11 Bildung von Eispartikeln deposition nucleation Heterogene Deposition in eisübersättigter Dampfumgebung; besonders geeignet sind große hexagonale Kerne (Sublimation) condensation freezing nucleation Aerosol wirkt zuerst als Kondensationsund dann als Gefrierkern immersion freezing nucleation Aerosol wird in den Tropfen eingebaut (kein Kondensationskern) und dient dann als Gefrierkern contact freezing nucleation unterkühlter Tropfen friert bei mechanischem Kontakt mit Aerosol Aktivierung von Aerosolpartikeln

12 Sättigungsdampfdruck Wasser Schmelzpunkt Wasser - Eis Abb. von Ken Carslaw Dew point Frost point eine Näherung es ( T ) 273 e ( T ) T i

13 Unterkühltes Wasser Ist bereits ab 0 C alles Wasser in der Eisphase ändert sich die Strahlungsbilanz um 16.9 Wm -2 im Vergleich zu dem üblichen Wert von -35 C [Lohmann und Feichter, 1997]

14 Wachstum von Eispartikeln Wachstum durch Wasserdampf-Deposition Transport von Molekülen über Grenze gasförmig-fest (Facetten und nicht-sphärische Form) Aspektverhältnis verdeutlicht relative Wachstumsraten Wachstumsraten variieren mit T in komplizierter Art Wachstum durch Bereifen erfordert Einfangen von unterkühlten Tröpfchen sowie anhaften und anfrieren an Eisoberfläche. Funktion von Größe und Akkreszensrate Wachstum durch Aggregation Verhaken und Anfrieren von Eiskristallen hängt von Fallgeschwindigkeit Form und T ab Bereifen Aggregation

15 Hexagonale Form Grundstruktur von Eiskristallen ist hexagonal sowohl für bei kalten Temperaturen gebildeten hohlen Säulen oder bei warmen Temperaturen gebildeten Dendriten Hexagonale Konfiguration maximiert anziehende Kräfte und minimiert die abstoßenden.

16 Wachstum von Eiskristallen

17 aus Pruppacher & Klett Fallgeschwindigkeit

18 Kalter Regen Niederschlagsbildung in Mischwolken (Bergeron-Findeisen-Prozess) Prozess: Tröpfchen verdunsten, gleichzeitige Sublimation des Wasserdampfes an Eis Eis wächst auf Kosten von unterkühltem Wasser (schnell) Wachstum durch Bereifung (riming) Wachstum durch Aggregation Niederschlag am Boden: Eispartikel/Schnee oder Regen, oder beides; evtl. Graupel oder Hagel (trockenes od. nasses Wachstum, shedding) Auch seeder-feeder Prozess kann Niederschlag initiieren

19 Entstehung von kaltem Regen

20 Wie entsteht Niederschlag?

21 Wie entsteht Niederschlag? alle haben etwas geantwortet! Wolkenbildung Konvektion aufsteigende Luft kühlt sich ab Kondensation von Wasserdampf durch Abkühlung Kondensation an Aerosolen Luft ist gesättigt bzgl. Wasser bei best. Druck und Temperatur regnet es zusätzliche Wasserdampfaufnahme -> Niederschlagsabgabe Niederschlagsentstehung Niederschlag fällt aus Wolken Koagulation führt zur Tropfenvergrößerung Wachstum bis Tropfen/Eiskristalle groß/schwer genug sind

22 Radarmeteorologie

23 Meßgeometrie PPI Azimutscan RHI Elevationsscan

24 PPI und RHI Abtastungen

25 Messbeispiel RHI: Bonner Radar Verbreiterung aufgrund von Antennencharakteristik

26 Visualisierung Radardaten Bonn

27 Prinzipielles zum RADAR RADAR - RAdio Detection And Ranging LIDAR - LIght Detection And Ranging SODAR - SOund Detection And Ranging *LIDAR nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch Infrarotwellen Prinzip Aussenden elektromagnetischer Wellen, die an einem Ziel (target) reflektiert werden. Empfangenes Signal kann zur Bestimmung der Eigenschaften des Ziels genutzt werden.

28 Meßprinzip: gepulstes Radar Elektromagnetische Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c = m/s Laufzeitdifferenz Δt zwischen Empfang- und Sendezeit zur Bestimmung des Abstands r des reflektierenden Objekts zum Radar Entfernungsauflösung: Δt = s m/s = 450 m r c Δt = 2