Eisnukleationsaktivität von Alkalifeldspat in Aerosol

Im Rahmen dieses Projektes wird die Rolle mikroskopisch kleiner Partikel von Alkalifeldspat, die als sogenannte Aerosole in der Luft schweben, für die Bildung von Eiskristallen in Wolken untersucht. Alkalifeldspat ist eines der häufigsten Minerale der Erdkruste und repräsentiert etwa 5 bis 10% der natürlichen mineralischen Aerosolpartikel. Diese Partikel spielen eine entscheidende Rolle bei der Wolkenbildung und bei der Eisbildung in Wolken. Fein verteilte Wassertröpfchen die wir als Wolken wahrnehmen haben typischerweise Durchmesser im Bereich von zehntel und hundertstel Millimetern. Solange diese Tröpfchen keinen Kontakt zu festen Aerosolopartikeln haben, können sie bis auf -36C gekühlt werden ohne zu gefrieren. Bei Kontakt zu festen Aerosolpartikeln wird der Gefrierpunkt der Tröpfchen zu deutlich höheren Temperaturen verschoben, wobei der Grad der Gefrierpunkterhöhung unter anderem vom Typ der Aerosolpartikel abhängt. Aerosolpartikel aus Alkalifeldspat tragen in besonderem Maß zur Eisbildung in Wolken bei indem sie das Gefrieren der mikroskopischen Wassertröpfchen bei außergewöhnlich hohen Temperaturen von bis zu -3C erlauben. Die physikalischen Eigenschaften einer Wolke, wie etwa ihr Albedo, der Grad mit dem sie das Sonnenlicht reflektiert, hängen wesentlich davon ab, ob die Wolke aus Wassertröpfchen oder aus Eiskristallen besteht. Beim Gefrieren der Wassertröpfchen in den Wolken wird Kristallisationswärme frei, welche die Wetterdynamik antreiben kann. Die Kenntnis der Faktoren, welche die Gefriertemperatur in Wolken steuern, ist für jegliche Wetter und Klimamodelle von großer Bedeutung und hat auch praktische Implikationen. In diesem Projekt wird ein interdisziplinärer Ansatz aus Mineralogie, Aerosolphysik und Computersimulation verfolgt, um die besondere Eisnukleationsaktivität von Alkalifeldspat Aerosolpartikeln zu untersuchen. Literaturdaten und vorläufige Ergebnisse aus Pilotstudien legen nahe, dass die Eisnukleationsaktivität von Feldspat mit dem Grad der Komplexität seiner Oberflächenstruktur zusammenhängt. Um diese Hypothese zu testen, werden einerseits weitestgehend defektfreie Alkalifeldspäte mit Edelsteinqualität und andererseits gewöhnliche Feldspäte mit komplexen korninternen Strukturen präpariert. Dabei werden entweder unbehandelte Spaltstücke oder oberflächenbehandelte Präparate angefertigt, wobei letztere mittels Flusssäureätzung, chemisch induzierter Rissbildung oder mittels Lösungs-Fällungsreaktionen in einer wässrigen Lösung hergestellt werden. In der Folge werden die so konditionierten Feldspäte für Eisnukleationsexperimente unter kontrollierten Bedingungen im Labor verwendet. Ziel ist es, die besondere Eisnukleationsaktivität von Alkalifeldspat spezifischen Oberflächenstrukturen zuzuordnen und die Mechanismen der Eisnukleation und des Eiswachstums auf Alkalifeldspat zu beleuchten. Anwendungen in der gezielten Vereisung von mikroskopischen Wassertröpfchen in Wolken oder in technischen Apparaturen sind denkbar.