Continuous Flow Diffusion Chambers: INKA und mINKA
INKA (Ice Nucleation instrument of the Karlsruhe Institute of Technology, Schiebel, 2017) und seine mobile Version mINKA sind zwei Continuous Flow Diffusionskammern. Diese beiden Instrumente ermöglichen es uns, die Eisnukleierungsfähigkeit von Aerosolpartikeln bei verschiedenen Temperaturen und Sättigungsverhältnissen zu untersuchen.
Working Principle
INKA und mINKA orientieren sich an dem von Rogers (1988)entwickelten Strömungsrohr. Hier bilden zwei Zylinder mit unterschiedlichen Durchmessern einen Ringspalt von ≈1cm Breite. Die Zylinder sind ca. 150cm und 85cm lang, für INKA bzw. mINKA. Die Zylinderwände sind temperaturgesteuert und während der Messungen mit einer dünnen Eisschicht überzogen.
Durch die Messung eines Temperaturunterschieds zwischen den Wänden bilden sich Temperatur- und Wasserdampfgradienten im Ringspalt aus, wodurch eisübersättigte Bedingungen zwischen den Wänden entstehen (im Video im unteren Abschnitt des Beispiel-Experiments).
Am Ausgang der Diffusionskammer detektiert ein optischer Partikelzähler größere Aerosolpartikel, Tröpfchen und Eiskristalle. Die Eiskristalle werden durch ihren größeren optischen Durchmesser unterschieden.
Um die Unterscheidung zwischen Tröpfchen und Eiskristallen zu erleichtern, kann der untere Teil des Diffusionsrohrs als Verdampfungsstrecke betrieben werden (siehe Schema von INKA in der linken, oberen Abbildung). Die Innen- und Außenwände im unteren Drittel beider Zylinder können auf der gleichen Temperatur gehalten werden. In diesem Fall sinkt die relative Luftfeuchtigkeit in diesem Abschnitt auf eisgesättigte Bedingungen und in Bezug auf flüssiges Wasser auf untersättigte Bedingungen. Wenn die Experimente bei einer Temperatur von weniger als -38°C durchgeführt werden, kann der untere Teil der Instrumente jedoch auch bei übersättigten Bedingungen betrieben werden, um die Verweilzeit der Aerosolpartikel bei günstigen Bedingungen für die Eisnukleation und das Wachstum zu maximieren (siehe das Schema von mINKA in der linken, unteren Abbildung).
Um die Aerosolpartikel gleichmäßigen Temperatur- und Sättigungsbedingungen auszusetzen, stellt der Probenstrom nur einen kleinen Teil des Gesamtstroms dar (5-10 %) und wird von einem partikelfreien, trockenen synthetischen Luftstrom umschlossen.
Eine selbst erstellte LabView-Software steuert die Wandtemperatur und die Massenstromraten. Eisnukleationsexperimente können somit entweder (i) bei konstanter Temperatur durch Erhöhung der Sättigung, (ii) bei konstanter Sättigung durch Senkung der Probentemperatur oder (iii) bei fester Temperatur und Sättigung durchgeführt werden.
Schematische Darstellung der INKA-Kammer bei Betrieb mit einem Verdampfungsteil. Die Wände im oberen Teil des Geräts werden auf verschiedenen Minustemperaturen gehalten, um eisübersättigte Bedingungen zu schaffen, die schließlich die Eisnukleation und das Wachstum von Eiskristallen ermöglichen. Im Verdampfungsabschnitt hingegen werden die Wände auf der gleichen Temperatur gehalten, um das Wassersättigungsverhältnis zu reduzieren und flüssige Wassertröpfchen zu verdampfen.
Schematische Darstellung der mINKA-Kammer, wenn sie über die gesamte Länge des Geräts im Modus Eisnukleation und -wachstum betrieben wird. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Zeit zu maximieren, in der die Aerosolpartikel eisübersättigten Bedingungen ausgesetzt sind, was das Wachstum der Eiskristalle bis zu einer mit dem optischen Partikelzähler (OPC) nachweisbaren Größe erleichtert.
Beispielhaftes Experiment
Dargestellt ist ein beispielhafter Sättigungsscan, der mit INKA bei der Nenntemperatur von -20°C durchgeführt wurde. In den linken Plots ist die Zeitreihe des Experiments dargestellt, in den rechten Plots sind stattdessen Profile verschiedener Variablen im Spalt zwischen den Zylindern wiedergegeben.
Panel a: Die Entwicklung der äußeren (warmen) und inneren (kalten) Wandtemperatur ist in rot bzw. blau dargestellt. Die konstante Temperatur, die die Aerosolpartikel erfahren, ist in orange dargestellt.
Panel b: Zeitreihe des Sättigungsverhältnisses in Bezug auf flüssiges Wasser (linke Achse) und Eis (rechte Achse) zur Aerosolposition innerhalb Spaltes.
Panel c: Einzelpartikeldaten aus dem optischen Partikelzähler sind auf der linken Achse dargestellt, jeder schwarze Punkt entspricht einem Aerosolpartikel (unterer Teil des Plots) oder Eiskristall (oberer Teil des Plots). Die Anzahlkonzentration der Eisnukleationspartikel ist auf der rechten Achse (rot) angegeben.
Panel d: Temperatur- und Wasserdampfdruckgradienten zwischen den Wänden des Instruments. Die kalten und warmen Wände befinden sich in Übereinstimmung mit der linken bzw. rechten Achse. Die Position des Aerosolflusses (5 % in dem hier berichteten Experiment) ist durch einen grau schattierten Bereich gekennzeichnet.
Panel e und f: Profile des Sättigungsverhältnisses von Eis und flüssigem Wasser, das sich Spalt einstellt.
Panel g: Geschwindigkeitsprofil für einen Gesamtfluss von 12,5 L min-1.