Arten der Eisnukleation

Eis bildet sich in Wolken entweder durch homogenes Gefrieren von Wasser- und Lösungströpfchen bei Temperaturen unter etwa -35°C oder durch heterogene Eisnukleationsprozesse, die durch unlösliche Aerosolpartikel induziert werden. Die Raten der Eisbildung in unterkühltem Wasser werden in der sogenannten klassischen Nukleationstheorie formuliert (siehe z.B. Pruppacher und Klett, 1997, oder Jeffery und Austin, 1997). Es wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die homogenen Gefriergeschwindigkeiten von Lösungströpfchen mit denen der reinen Wasserphase in Beziehung zu setzen (Sassen und Dodd, 1988; Koop et al., 2000).

Heterogene Eiskeimbildung wird durch sogenannte Eiskeime (INP) induziert, eine Untermenge von (unlöslichen) Aerosolpartikeln, die unter bestimmten Bedingungen der Unterkühlung zwischen 0 und -35°C oder Eisübersättigung bei Temperaturen unter 0°C Eiskeime bilden.

Nach der Definition des Committee on Nucleation and Atmospheric Aerosols (Vali, 1985) kann man verschiedene heterogene Eisnukleationsmodi unterscheiden. Grundsätzlich wird unterschieden, ob Wasser Eis aus der Dampf- oder der (unterkühlten) Flüssigphase nukleiert:

  • Depositionsnukleation ist die Bildung von Eis in einer eisübersättigten Dampfumgebung
  • Unter Gefriernukleation versteht man die Bildung von Eis in einer unterkühlten flüssigen Umgebung.

Die Gefriernukleation wird in weitere folgende Modi unterschieden:

  • Das Immersionsgefrieren wird durch ein in unterkühlten Wasser eingetauchtes Teilchen induziert.
  • Das Kondensationsgefrieren ähnelt dem Immersionsgefrieren, tritt aber auf, wenn ein Partikel als Wolkenkondensationskern (CCN) wirkt und sofort das Gefrieren des Wasserkondensats induziert.
  • Das Kontaktgefrieren wird durch ein Partikel beim Kontakt mit der unterkühlten flüssigen Wasserphase induziert.


Literaturhinweise:

Jeffery, C. A., and P. H. Austin (1997), Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state, J Geophys Res-Atmos, 102, 25269-25279.

Koop, T., B. P. Luo, A. Tsias, and T. Peter (2000), Water activity as the determinant for homogeneous ice nucleation in aqueous solutions, Nature, 406, 611-614.

Pruppacher, H. R., and J. D. Klett (1997), Microphysics of clouds and precipitation, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands.

Sassen, K., and G. C. Dodd (1988), Homogeneous Nucleation Rate for Highly Supercooled Cirrus Cloud Droplets, Journal of the Atmospheric Sciences, 45, 1357-1369.

Vali, G. (1985), Nucleation Terminology, Bull. Am. Meteorol. Soc., 66, 1426–1427.