Die Gruppe untersucht mikrophysikalische Wolkenprozesse wie die Nukleation von flüssigem Wasser und Eis, Tropfenkollisionen und Fragmentierung sowie sekundäre Eisprozesse in Laborexperimenten. Die Hauptwerkzeuge sind elektrodynamische Einzeltropfenwaagen, Kaltstufen, Partikelfallen, Massenspektrometrie, nichtlineare Optik und Umwelt-Rasterelektronenmikroskopie.

Sekundäres Eis

Eine verlässliche Modellierung von Wolkenprozessen für Wettervorhersagen und Projektionen des Klimawandels erfordert ein fundiertes Verständnis der Eisbildung in Mischphasenwolken. Die in den Wolken gemessenen Eiskristallkonzentrationen übersteigen jedoch oft die Konzentration der eisnukleierenden Aerosolpartikel um viele Größenordnungen. Um diese Diskrepanz aufzuklären, simulieren wir die atmosphärischen Prozesse der Eisvermehrung beim Gefrieren von Wassertröpfchen, die in einer elektrodynamischen Falle (EDB) schweben, gekoppelt mit einem hochentwickelten optischen und Infrarot-Videoaufzeichnungssystem. In den letzten Jahren haben wir bedeutende Fortschritte im Verständnis der Physik des Gefrierens von frei schwebenden Wolkentröpfchen erzielt und streben derzeit eine vollständige Quantifizierung des Mechanismus der sekundären Eisproduktion an.

Eisnukleation und Wachstum durch Deposition aus der Dampfphase

Die Eiskristalle in atmosphärischen Wolken bestimmen deren Lebensdauer, optische Eigenschaften und sind Teil des Niederschlagsweges. In der Troposphäre bilden sich Eiskristalle meist durch heterogene Keimbildung, unterstützt durch die Anwesenheit von Aerosol. Allerdings dienen nur wenige Aerosolpartikel als effiziente Eiskeimbildner. Um die Rolle der Aerosolpartikel zu verstehen und die eisnukleierenden aktiven Stellen zu identifizieren, führen wir Laborexperimente mit einem Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) durch. So können wir die Morphologie und chemische Zusammensetzung einzelner Aerosolpartikel untersuchen und die Eisnukleationsexperimente direkt in der Probenkammer des ESEM durchführen.

Biologische Eisnukleatoren in der Atmosphäre

Lebende Organismen haben Möglichkeiten entwickelt, die Eisnukleation und das Wachstum zu kontrollieren, um Zellschäden durch das Einfrieren von intrazellulärem Wasser zu verhindern. So sind viele Mikroorganismen, wie Bakterien, Pilze oder Pflanzenpollen, in der Lage, das Gefrieren von Wasser bei nur wenigen Grad Unterkühlung auszulösen, im Vergleich zu -40°C, die erforderlich sind, um mikroskopisch kleine Tröpfchen unterkühlten Wassers homogen zu gefrieren. Einige bakterielle und tierische Proteine sind auch dafür verantwortlich, das Eiskristallwachstum zu hemmen, indem sie sich an die kristallinen Flächen des wachsenden Eises anlagern. In Zusammenarbeit mit Mikrobiologen des KIT und der Universität Aarhus (Dänemark) untersuchen wir, wie bestimmte Bakterien das Gefrieren von atmosphärischem Wasser beeinflussen und wie dies ihre Überlebenschancen und Verbreitungswege beeinflusst.