The ice nucleation activity of carbonaceous particles

Abstract

Wolken haben aufgrund ihres Einflusses auf das Klimasystem, Wetterphänomene oder den Wasserkreislauf der Erde eine wichtige Rolle in der Erdatmosphäre. Dabei bestimmt die Mikrophysik der Wolken unter anderem die Wechselwirkung mit sichtbarer und infraroter Strahlung, den Lebenszyklus der Wolken, oder die Eigenschaften von Niederschlägen. In all diesen Prozessen spielen Aerosolpartikel eine bedeutende Rolle. Diese dienen einerseits als Wolkenkondensationskeime zur Bildung von flüssigen Tropfen, andererseits als Eiskeime zur Bildung von Eiskristallen. Eiskeime katalysieren den Gefrierprozess in Wolken und unterstützen damit den kinetisch gehemmten Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Eis. Dieser Prozess wird als heterogene Eisnukleation bezeichnet. Kohlenstoffhaltige Verbrennungsrückstände wie Ruß, biologisches Material wie Pollen oder Bakterien, aber auch mineralische Stäube wie Albit oder Feldspat können als Eiskeime dienen. Auf Grund dieser enormen Vielfalt und Komplexität der Eiskeime, ist der Prozess der Eisbildung weitestgehend unverstanden. Ziel dieser Arbeit war es grundlegende Kenntnisse zu den physikalischen und chemischen Prozessen der Eisnukleation zu erlangen. Dazu wurde das Gefrierverhalten von künstlich erzeugten Tropfen, versetzt mit unterschiedlichen Eiskeimen, untersucht. Die gebräuchliche Analysentechnik zur Bestimmung des Gefrierverhaltens von wässrigen Tropfen im Mikrometermaßstab wurde grundlegend überarbeitet. Dabei konnten wesentliche Verbesserungen, wie die Bildung von Tropfen mit definierten Durchmessern zwischen 20 μm und 80 μm oder eine automatisierte Evaluierung des Gefriervorganges, realisiert werden. Kohlenstoffhaltige Eiskeime wie Graphen, Ruß, oder Cellulose wurden eingehend bezüglich ihrer Eigenschaften als Eiskeime untersucht. Komplementäre Analysen zur Bestimmung von chemischen und physikalischen Eigenschaften der Keime wurden durchgeführt. Ausführliche Untersuchungen mittels Kryo- und Elektronenmikroskopie, als auch Raman- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie, zeigten sowohl den Einfluss der chemischen Zusammensetzung als auch der Kristallstruktur auf die eisbildenden Eigenschaften dieser Keime. Diese Arbeit zeigt die absolute Notwendigkeit einer sorgfältigen Analyse der Gesamtheit sowohl der physikalischen als auch der chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Partikeln, um eine qualitative Aussage zur Eisnukleationsfähigkeit treffen zu können.

Clouds are essential for the Earth’s climate system, weather phenomena, and the hydrological cycle. Cloud microphysics determine cloud albedo in the visible and infrared spectral ranges, cloud lifetime, and precipitation properties. In all these processes, aerosol particles play a crucial role. They can act as so-called cloud condensation nuclei for liquid droplets and as ice nuclei for the formation of ice particles. Ice nuclei catalyze the freezing process in clouds and support the kinetically hindered phase transition from water to ice, which is called heterogeneous ice nucleation. Several materials can act as ice nuclei, such as carbonaceous residues like soot, biological materials like pollen or bacteria, and mineral dusts like albite or microcline. Even though intensive research on ice nucleation has already been performed for decades, the mechanisms during the freezing process remain still fragmentary. This is, among other reasons, due to the tremendous variability as well as complexity of ice nuclei. The goal of this study was to obtain a fundamental understanding of physical and chemical processes during ice nucleation, by conducting a comprehensive study of the ice nucleation behavior of artificial droplets including ice nuclei. The current technique to determine the ice nucleating behavior of aqueous droplets in micrometer range was optimized regarding the formation of droplets with defined diameters between 20 μm and 80 μm, process control and experimental evaluation. In addition, carbonaceous ice nuclei as graphene, soot or cellulose have been investigated concerning their properties as ice nuclei. Complementary analysis techniques to determine the particles’ chemical and physical properties have been performed. Detailed investigations by cryo- and electron microscopy, as well as Raman- and X-ray photoelectron spectroscopy, revealed the influence of the chemical composition and crystal structure on ice nucleating properties. This study demonstrates the absolute need for a thorough analysis of the entirety of physical and chemical properties of carbonaceous particles in order to draw conclusions concerning their ice nucleation activity.