Eis- und Mischphasen-Mikrophysik

Wie Eiskristalle entstehen und wachsen und wie Eis und unterkühltes flüssiges Wasser interagieren, um Niederschlag in kalten Wolken zu erzeugen.

Definition

Eis- und Mischphasen-Mikrophysik ist die Untersuchung der Nukleation, des Wachstums und der Interaktion von Eispartikeln sowie deren Koexistenz mit unterkühltem flüssigem Wasser in Wolken, die kälter als der Gefrierpunkt sind.

Scope

Umfasst die Eisnukleationsmodi, das Wachstum von Eiskristallen durch Dampfablagerung und die Vielfalt der Kristallhabitate, den Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess, bei dem Eis auf Kosten unterkühlter Tröpfchen wächst, die Reifbildung sowie die Graupel- und Hagelbildung, die Aggregation zu Schneeflocken und die sekundäre Eisproduktion.

Core questions

• Wie nukleiert Eis in Wolken, und warum bleibt unterkühltes Wasser bestehen?
• Warum wachsen Eiskristalle schnell, wenn unterkühlte Tröpfchen vorhanden sind?
• Wie bilden Reifbildung und Aggregation Graupel, Hagel und Schneeflocken?

Key theories

Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess

Da der Sättigungsdampfdruck über Eis niedriger ist als über unterkühltem Wasser, wachsen Eiskristalle durch Dampfablagerung, während nahegelegene Tröpfchen verdunsten, wodurch effizient Niederschlag in Form von Eispartikeln erzeugt wird.

Mechanisms

Wolkenwasser kann weit unter dem Gefrierpunkt flüssig bleiben, da die Eisnukleation entweder Eiskerne oder, bei sehr niedrigen Temperaturen, homogenes Gefrieren erfordert. Sobald sich Eis bildet, treibt der niedrigere Sättigungsdampfdruck über Eis im Vergleich zu unterkühltem Wasser einen Nettodampftransfer von Tröpfchen zu Kristallen an, den Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess. Kristalle nehmen Habitate an, die durch Temperatur und Übersättigung bestimmt werden, wachsen weiter durch Kollisionen mit und Gefrieren von unterkühlten Tröpfchen (Reifbildung) zu Graupel und Hagel und aggregieren zu Schneeflocken, die fallen und zu Regen schmelzen können.

Clinical relevance

Eisprozesse dominieren den Niederschlag in mittleren Breiten und beeinflussen die Wolkenlebensdauer und die Strahlungseigenschaften stark, was die Mischphasen-Mikrophysik zu einer wesentlichen Unsicherheit in Wetter- und Klimamodellen macht.

History

Wegener bemerkte die Instabilität der Koexistenz von Eis und Wasser, und Bergeron und Findeisen entwickelten dies in den 1930er Jahren zur Eiskristalltheorie des Niederschlags, die lange Zeit die vorherrschende Erklärung für Regen in mittleren Breiten war.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

Was ist unterkühltes Wasser?

Unterkühltes Wasser ist flüssiges Wasser, das unter 0 Grad Celsius ungefroren bleibt, weil es an effektiven Eiskernen mangelt; es ist in Wolken häufig und zentral für den Mischphasenniederschlag.