dc.contributor.author
Krämer, Benedikt
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:28:43Z
dc.date.available
1998-12-10T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/10538
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-14736
dc.description
1 Inhaltsverzeichnis 3
2 Einleitung 6
3 Quadrupol - Ionenfalle 8
4 Mie - Streuung 14
5 Experimenteller Aufbau 23
6 Messung der spezifischen Ladung 35
7 Bestimmung von Größe und Brechungsindex 38
8 Einfluß der Ladung auf die Tropfen 48
9 Aerosole in der Stratosphäre 65
10 Theorie der Nukleation bei dem Gefrierprozeß 76
11 Der Gefrierprozeß: Erfassung im Experiment 89
12 Ergebnisse der Gefriermessungen von Wasser 110
13 Eigenschaften wässriger Schwefelsäurelösungen 119
14 Gefriermessungen an Schwefelsäure - Lösungen 123
15 Gefriermessungen an ternären Lösungen 151
16 Zusammenfassung und Ausblick 180
17 Literaturverzeichnis 174
18 Lebenslauf 182
19 Danksagung 183
dc.description.abstract
Bei der polaren stratosphärischen Ozonzerstörung spielen heterogene chemische
Reaktionen eine zentrale Rolle. Dabei werden sonst relativ inerte Verbindungen
auf den Wolkenteilchen katalysiert. Die Rate solcher Reaktionen ist davon
abhängig, ob die Wolken aus flüssigen oder gefrorenen Tropfen bestehen.
Stratosphärische Wolken bestehen hauptsächlich aus einer ternären Lösung von
Wasser, Schwefelsäure und Salpetersäure. Diese Flüssigkeiten können stark
unterkühlen, so daß die Wolkentropfen selbst bei den winterlichen
stratosphärischen Temperaturen von etwa -80°C noch flüssig vorliegen können.
Der Gefrierprozeß in reinen Tropfen wird durch die Theorie der homogenen
Nukleation beschrieben, falls Verunreinigungen vorliegen durch die heterogene
Nukleation. Um den Gefrierprozeß zu verstehen, der zu dem Gefrieren der
Wolkenteilchen führt, haben wir homogene und heterogene Nukleationsraten für
binäre und ternäre Gemische aus H20, H2SO4 und HN3O untersucht. Dabei haben
wir das Gefrierverhalten von einzelnen Mikrotröpfchen mit einer neuen Methode
studiert, mit der Nukleationsraten mit einer bisher unbekannten Genauigkeit
vermessen werden können. Tropfen von einigen Mikrometern im Durchmesser werden
dabei frei schwebend in einer elektrodynamischen Quadrupolfalle gehalten, um
jegliche Wandkontakte zu vermeiden. Die Falle befindet sich in einer kühlbaren
Klimakammer. Tropfen einer gewählten Zusammensetzung werden in die auf
Stratosphärentemperatur temperierten Falle injiziert. Die Zeit, die die
Tropfen unterkühlt bleiben, bevor sie gefrieren, gibt Aufschluß über die
Nukleationsrate. Da die Nukleationsrate zu dem proportional zu dem Volumen der
Tropfen ist, wird die Tropfengröße optisch durch Analyse des Streulichtes des
Tropfens, der mit einem Laser beleuchtet wird, vermessen.
Für reines Wasser wird die Rate der homogenen Nukleation mit hoher Genauigkeit
bestimmt. In einem Temperaturintervall von einem Kelvin steigt die
Nukleationsrate um fast zwei Größenordnungen an, zehn Werte für die
Nukleationsrate konnten in diesem Temperaturintervall bestimmt werden.
Für binäre Schwefelsäure - Wassermischungen mit einer Konzentration an
Schwefelsäure von 0 bis 57 wt.% wurden die Raten der homogenen Nukleation
temperaturabhängig bestimmt.
Messungen an ternären Mischungen aus Wasser, Schwefelsäure und Salpetersäure
zeigen auf, daß nur die sogenannten Eiswolken (Wolken des Typ II) bei etwa 3
Kelvin unterhalb des Eisfrostpunktes in der Stratosphäre homogen gefrieren
können. Experimente, bei denen das Gefrieren der Tropfen heterogen durch
kleine Eiskristalle induziert wurde, deuten an, daß bei höheren
stratosphärischen Temperaturen ein heterogenes Gefrieren der Wolkentropfen
möglich ist.
de
dc.description.abstract
The phase of stratospheric aerosol particles is an important input parameter
for model calculations of ozone depletion over polar regions, since the rates
of heterogeneous chemical reactions are sensitive to the phase of the involved
particles. We have determined homogeneous and heterogeneous nucleation rates
of single levitated micro droplets of water, sulfuric acid and ternary
solutions of H2S4O, HNO3, and water using an electrodynamic quadrupol trap
housed inside a climate chamber. Concentrations of the sulfuric acid solutions
range between pure water and 57.7 wt.%. The ternary solutions are of
compositions as expected at stratospheric temperatures between 186 K and 196
K. Single droplets of a certain composition are injected directly into the
cold quadrupol trap and are stored until freezing occurs. The freezing of many
droplets at a certain temperature and concentration is observed to determine
the rate of homogeneous nucleation. The droplet size is measured by angular
resolved detection of the scattered light from a linearly polarized Helium-
Neon laser. The onset and the duration of the freezing process are detected
through a change in the depolarization ratio of the scattered light. The new
experimental technique allows to monitor the onset of the nucleation over a
long time range and avoids any contact between the liquid and containment
walls. All necessary parameters to derive the nucleation rate can be
determined with high accuracy: the temperature, the radius of each
investigated droplet, the time a droplet stays supercooled, the composition of
the droplet and the statistical distribution governing the nucleation process.
In consequence homogeneous nucleation rates can be derived with an up to now
unknown precision. This is shown for example with pure water droplets. In the
range of only one Kelvin (between 236 and 237 K) ten different nucleation
rates could be determined for the homogeneus nucleation of water. The
nucleation rate changes in this range one and a half order of magnitude.
Furthermore it is possible to seed the droplets with ice germs to observe
heterogeneous nucleation. The droplets investigated here are larger than the
cloud particles in the stratosphere. Nevertheless, the derived nucleation
rates can be scaled to apply for atmospheric aerosol. Comparisons of our
results with stratospheric freezing events observed with in situ techniques
allow to characterize the polar stratospheric clouds (PSC). Under
stratospheric conditions, homogeneous nucleation could be only observed in
dilute droplets containing more then 77 wt. % water. In consequence,
homogeneous nucleation is the process which leads to the freezing of water
rich clouds (PSC of the type II). Nevertheless, heterogeneous nucleation is
possible for droplets of ternary solutions with higher acid content. A
possible freezing mechanism for the clouds having droplets of these
compositions (PSC of type Ia) is therefore the heterogeneous freezing process.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
nucleation rate
dc.subject
homogeneous nucleation
dc.subject
heterogeneous nucleation
dc.subject
stratospheric clouds
dc.subject
coulomb explosion
dc.subject
mie scattering
dc.subject
quadrupole trap.
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Laboruntersuchungen zum Gefrierprozeß in polaren stratosphärischen Wolken
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Ludger Wöste
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Helmut Baumgärtel
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Dieter Reinsch, Prof. Dr. Hella Tiedeman
dc.date.accepted
1998-06-03
dc.date.embargoEnd
1999-01-06
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-1998000133
dc.title.translated
Freezing of Single Levitated Micro Droplets of Water, Sulfuric Acid, and
Ternary H2SO4 / HNO3 / H2O Solutions
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000000058
refubium.mycore.transfer
http://www.diss.fu-berlin.de/1998/13/
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FUDISS_derivate_000000000058
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open access