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Laboratory ice multiplication experiments in levitated microdroplets

Pander, Thomas Jan

German Title: Laborgestützte Eismuliplikationsexperimente in levitierten Mikrotröpfchen

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Abstract

Ice in clouds is an imporant factor for precipitation, the radiative properties and the lifetime of clouds. From the freezing of one cloud droplet, more than one ice particle may result. To investigate these so-called ice multiplication processes, experiments with single levitated droplets freezing at atmospherically relevant temperatures were conducted. Two potential processes were found: the fragmentation of a droplet’s ice shell under growing internal pressure and the emergence of bubbles on the ice surface. It has been found that solid particles in and on a freezing droplet promote ice multiplication while solubles inhibit it. A possible link to a highly effective ice multiplication mechanism, the Hallett-Mossop process, is explored. Additionally, high-speed recordings of the potential ice multiplication processes and the freezing of droplets allowed for an analysis of the propagation speed of ice in supercooled water. Furthermore, a technique for droplet size manipulation in pull-push type droplet generators is presented.

Translation of abstract (German)

Eis spielt im Niederschlag, in den Strahlungseigenschaften und für die Lebenszeit von Wolken eine wichtige Rolle. Gefriert ein Wolkentropfen, kann dies zu mehr als einem Eispartikel führen; dem liegen sogenannte Sekundäreisprozesse zugrunde. Um diese zu untersuchen, wurden Gefrierexperimente an jeweils einzelnen levitierten Wolkentropfen unter atmosphärischen Temperaturen durchgeführt. Zwei potentielle Prozesse wurden beobachtet: einerseits das Zerbrechen der Eisschale um einen noch flüssigen Kern unter dem wachsenden Innendruck, andererseit das Auftreten von Blasen auf der gefrorenen Tropfenoberfläche. Festpartikel im Volumen und auf der Oberfläche eines gefrierenden Tropfens begünstigten Sekundäreisproduktion während lösliche Stoffe diese unterdrückten. Eine mögliche Verbindung zu einem hocheffektiven Sekundäreisprozess, dem Hallett-Mossop-Prozess, wurde untersucht. Durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Sekundäreisprozesse und des Gefrierens von Tropfen konnte darüberhinaus die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Eis in unterkühltem Wasser gemessen werden. Im weiteren wurde eine Methode zur Tropfengrößenmanipulation bei Injektoren gefunden, welche nach dem ’pull-push’-Prinzip arbeiten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Leisner, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 13 May 2015
Date Deposited: 10 Jun 2015 10:47
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Gefrierverhalten, Eis, Sekundäreis, Eismultiplikation, Laborexperiment, Fragmentation
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