Heterogeneous ice nucleation on mineral dust particles

Abstract

In Rahmen dieser Arbeit wurden die Eisnukleationsaktivitäten von Mineralstaubpartikeln untersucht. Die Experimente wurden mit Hilfe eines Kryo-Mikroskops und der Öl-Emulsions-Technik, durchgeführt. Mit dieser Methode ist es möglich das Immersionsgefrieren von Wassertropfen zu untersuchen. Bei den untersuchten Proben handelt es sich um anorganische atmosphärische Aerosolpartikel. Es wurden sowohl einzelne Mineralien als auch natürliche Staubproben untersucht. Mineralstaubpartikel sind aktive Eiskeime im Immersionsmodus bis zu Temperaturen von 256K/-17°C. Damit sind Mineral\-stäube bei geringeren Temperaturen aktiv als einige biologische Substanzen. Kaliumfeldspat ist der aktivste Mineralstaub, der untersucht wurde, auch andere Silikatminerale waren aktive Eiskeime.<br />Alle Naturproben, die Kaliumfeldspat enthalten, waren auch aktiv, falls der Feldspatgehalt mindesten $5\%$ betrug. Die Aktivität von Kaliumfeldspat ist eine Folge seiner Oberflächenstruktur und den dort vorhandenen Kaliumionen. Die Eisnukleation an Mineralstaubpartikeln findet an lokalen Nukleationsstellen auf der Oberfläche der Partikel statt, wo die Keimbildung ausgelöst wird. Diese lokalen Stellen sind Domänen von molekularen Gruppen, wo Wassermoleküle in einer eis-ähnlichen Struktur stabilisiert werden. Gute Nukleationsstellen sind auf Partikeln mit einer größeren Dichte an molekularen Gruppen zu finden. Daraus folgt, dass sich die Nukleations\-temperatur durch Vergrößerung der Partikeloberfläche teilweise erhöht.<br />Die genaue Struktur einer molekularen Gruppe ist materialspezifisch und hängt von der lokalen chemischen Konfiguration und Struktur der Partikeloberfläche ab. In Kaliumfeldspat gibt es entsprechend günstige Konfigurationen von Hydroxy- and Oxy-gruppen. Die Kalium\-ionen scheinen einen positiven oder zumindest neutralen Effekt auf die Eisnukleation von Silikaten zu haben, im Gegensatz zu Ionen mit höherer Ladungsdichte wie Kalzium oder Natrium. Der Kaliumfeldspat ist reichlich in der Umwelt vorhanden und entsprechend der wichtigste mineralische Eiskeim. Die Keimbildungstemperaturen von Kaliumfeldspatpartikeln sind hoch genug um weitere meteorologische Eisbildungsprozesse in großer Höhe in Wolken zu ermöglichen.<br />

Ice nucleation activities of mineral dust particles were investigated. The experiments were carried out using cryo-microscopy which is an oil-emulsion based method. The immersion freezing mode was addressed with this experimental setup. The studied samples were common inorganic atmospheric aerosols. Single minerals and natural samples were tested. Mineral dust particles are active ice nuclei in the immersion freezing mode up to 256K/-17°C. The nucleation temperatures of mineral dusts are much lower than for biological ice nuclei. K-feldspar is the by far most active ice nuclei followed by other silicates. Natural samples which contain more than $5\%$ K-feldspar were also active. The activity of K-feldspar can be attributed to its surface structure and the presence of potassium ions in the surface. Ice nucleation on mineral dust particles takes place at certain nucleation sites. These sites are domains of molecular sites where water is stabilized in an ice-like structure. To form a good ice nucleation site, the site density of molecular sites needs to be high. More molecular sites are able to form larger domains on the surface, leading to better nucleation sites. This suggests further that the nucleation temperature of mineral dust particles scales with the surface area. The exact configuration of a molecular site is material specific and influenced by the local chemistry and structure of the dust particle surface. A favorable arrangement of the functional groups like surface hydroxyl and oxygen is proposed for the K-feldspar. Potassium ions seem to have a positive or neutral effect on the ice nucleation property of a silicate surface while cations with a higher charge density like calcium and sodium have a negative influence. K-feldspar is abundant in the environment and actually is the most important dust ice nucleus in the atmosphere. The nucleation temperatures of the K-feldspar particles are sufficient to enable further meteorological glaciation processes in high altitude clouds.