Thermografie macht Eisbildungsprozesse an gefrierenden Nieseltröpfchen sichtbar
Wie entstehen Eiskristalle in Mischphasenwolken? Und welche Rolle spielen dabei gefrierende Nieseltröpfchen? Diesen Fragen sind Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in experimentellen Untersuchungen nachgegangen. Im Mittelpunkt stand die präzise Erfassung von Temperaturverläufen an der Oberfläche gefrierender Wassertropfen. Zum Einsatz kam dabei eine hochauflösende MWIR-Thermografiekamera ImageIR® 7340 von InfraTec.
Die Untersuchungen sollten helfen, Prozesse besser zu verstehen, bei denen gefrierende, nieselgroße Wolkentröpfchen zerbrechen und Eisfragmente freisetzen. Diese können wiederum das Gefrieren weiterer Tropfen auslösen – ein Vorgang, der als Sekundäreisbildung bezeichnet wird und für die Entstehung von Eis und Niederschlag in Mischphasenwolken von großer Bedeutung ist.
Präzise Temperaturmessung an der äußersten Tropfenschicht
Die Experimente fanden in einer sogenannten elektrodynamischen Falle statt. Darin konnten Wassertropfen unter kontrollierten Bedingungen schwebend untersucht werden – bei definierter Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftströmung. Die Eisbildung wurde durch das gezielte Einleiten feiner Eispartikel angeregt.
Für die thermografischen Messungen nutzten die Forschenden eine ImageIR® 7340 mit 50 mm Objektiv, Close-up und Zwischenringen zur zweifachen Vergrößerung. Im Temperaturbereich von -30 °C bis +30 °C erreichte das System eine Genauigkeit von ±1 K bei einer Bildrate von 287 Bildern pro Sekunde. Da Wasser und Eis im relevanten Spektralbereich keine idealen Schwarzkörper sind und die Tropfenform die Messung beeinflussen kann, konzentrierte sich die Auswertung auf den zentralen Bereich des Tropfens. Die Thermografieaufnahmen wurden mit Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen synchronisiert, um Temperatur- und Formänderungen exakt miteinander abzugleichen.
Die Wärmebilder zeigten drei klar unterscheidbare Phasen des Gefrierprozesses: Direkt nach der Eiskeimbildung erwärmt sich der Tropfen durch die freiwerdende Kristallisationswärme auf etwa 0 °C. Während der weiteren Kristallisation bleibt die Temperatur zunächst nahezu konstant. Erst wenn das Flüssigwasser vollständig erstarrt ist, kühlt der Tropfen exponentiell auf die Umgebungstemperatur ab.
Thermografie erkennt mehr Druckentlastungsereignisse
Besonders aufschlussreich waren sogenannte Pressure Release Events, kurz PREs. Dabei handelt es sich um druckbedingte Ereignisse wie Rissbildung, Zersplitterung oder Blasenbildung in gefrierenden Tropfen. Sie gingen in den Messungen mit einer langsamen Temperaturabsenkung und einem anschließenden plötzlichen Temperaturanstieg einher. Die Forschenden führen dies auf eine druckinduzierte Gefrierpunktserniedrigung und einen schnellen Druckabfall durch Rissbildung in der Eisschale zurück.
Hier zeigte sich ein entscheidender Vorteil der Thermografie: Die Wärmebildkamera erfasste drei- bis neunmal mehr Pressure Release Events als die parallel eingesetzte Hochgeschwindigkeits-Videotechnik. Im freien Fall traten solche Ereignisse zudem etwa dreimal häufiger auf als in ruhender Luft. Ursache dafür ist vermutlich der durch Luftströmung beschleunigte Gefrierprozess, der zu erhöhtem Innendruck im Tropfen führt.
Die Studie verdeutlicht damit, dass Thermografie nicht nur exakte Temperaturverläufe an gefrierenden Tropfen sichtbar macht. Sie eignet sich auch, um kurzzeitige druckbedingte Ereignisse mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren. Damit liefert sie wichtige Daten für ein besseres Verständnis der Eisbildung in der Atmosphäre und der Prozesse, die zur Entstehung sekundärer Eiskristalle beitragen.
Veröffentlicht wurde die zugrunde liegende Studie im Journal of the Atmospheric Sciences:
Kleinheins, J., Kiselev, A., Keinert, A., Kind, M., and Leisner, T. (2021): Thermal Imaging of Freezing Drizzle Droplets: Pressure Release Events as a Source of Secondary Ice Particles.
Zum Anwenderbericht