Heterogene Eisnukleation durch Graphen-Nanopartikel
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Die Nanostruktur, die chemische Zusammensetzung und die Größenverteilung von Aerosolen wirken sich in erster Linie auf ihre Effizienz bei der heterogenen Eisnukleation (HIN) aus.
Zusammenfassung:
Die Eiskernbildung erfordert in der Regel aktive Stellen in den Aerosolen, um als Eiskerne (IN) zu wirken. In dieser Studie wurden HIN und wahrscheinliche aktive Stellen von Graphen-Graphenoxid-Nanopartikeln (GGON) untersucht, die aus Graphitoxid durch thermischen Schock bei niedriger Temperatur (LTTS) gewonnen wurden.
Die Eigenschaften und die Größenverteilung der GGON wurden mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops (SEM) und der Bildverarbeitung der Ergebnisse, der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), der Raman-Spektren und der Röntgenbeugung (XRD) ihrer Blätter ermittelt. Die FTIR-Spektren weisen auf stärkere Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen in den durch LTTS erhaltenen Proben hin.
Außerdem lag die maximale Größenverteilung der GGON im Bereich von 160-180 nm. Nach dem Einbringen dieser Partikel in die Nebelkammer kam es zu HIN und es bildeten sich Eiskristalle. Die Größenverteilung der Kristalle ergab sich aus der Bildverarbeitung der Platten, die mit einer dünnen Schicht Formvar bedeckt waren, und zeigte, dass die Anzahl der Eiskristalle in der GGON mit steigender Temperatur von -20 °C auf -10 °C zunahm. Darüber hinaus wurden zwei mögliche Mechanismen der Asymmetrie und Verformung der Eiskristalle in der GGON beschrieben.
Einleitung
Die Wechselwirkungen zwischen Wolken und Aerosolen in der Erdatmosphäre haben mehrere wichtige Auswirkungen auf das Wetter und das Klimasystem. Erstens können diese Wechselwirkungen die Größenverteilung der Aerosole verändern, deren Einfluss auf die ein- und ausgehende kurzwellige Strahlung nachgewiesen ist1,2,3. Zweitens stammen mehr als 50 % der Niederschläge auf der Erde aus der Eisphase4 , und Partikel, die als Eiskerne (IN) dienen können, sind für die Mikrophysik von Wolken und Niederschlägen von wesentlicher Bedeutung. Darüber hinaus versucht der Mensch heutzutage, Wolken zu verändern, um seine Wasserressourcen zu vergrößern, und in diesem Zusammenhang sind künstliche Aerosole, die zur Wolkenmikrophysik beitragen, beim Cloud Seeding erwünscht. Die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken und ihre Auswirkungen auf das Wetter, das Klima und den Klimawandel gehören daher zu den wichtigen globalen Umweltfragen3,4,5.
Aerosolpartikel (AP) werden aus natürlichen und anthropogenen Quellen über verschiedene Mechanismen in die Atmosphäre eingebracht und können unter unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen verschiedene Arten von Alterungs- und Phasenwechselprozessen durchlaufen. Der Prozess der Umwandlung von AP in Tröpfchen ist in erster Linie von ihrer Größe, Form und chemischen Zusammensetzung abhängig und wird als Aktivierung von AP bezeichnet.
Die Kohler-Theorie beschreibt die konkurrierenden Effekte bei der Aktivierung von Wolkentröpfchen6,7. Aerosolpartikel mit besonderen Eigenschaften, die bei den für atmosphärische Wolken typischen niedrigen Übersättigungen (SS) als Wolkenkondensationskerne (CCN) wirken können, können aktiviert werden. Andererseits erfordert die heterogene Eiskernbildung (HIN) in der Regel ein unlösliches AP, das als IN dient und die Eisphase durch direkte Ablagerung von Wasserdampf, Gefrieren durch ein wässriges Medium und durch Kontakt, Eintauchen oder Kondensation eines bestimmten AP einleitet7,8,9,10.
Bei der Ablagerung werden die Eiskristalle (IC) größer, indem sich die Wassermoleküle auf der Oberfläche des IN auf Kosten der nahe gelegenen Flüssigkeitströpfchen ablagern, was als Bergeron-Findeisen-Mechanismus bekannt ist. Im Gegensatz dazu wird das Kontakt- und Immersionsgefrieren eingeleitet, wenn sich das IN einer wässrigen Lösung oder einem unterkühlten Wassertropfen nähert oder in diese eintaucht. Kondensationsgefrieren findet häufig statt, wenn drei Arten der Eiskeimbildung vorhanden sind.
Wie bei der AP-Aktivierung variiert auch die Fähigkeit der IN zur Bildung von IC je nach Partikeltyp und atmosphärischen Quellen und Bedingungen. Unabhängig von der Quelle der IN wurde eine Zunahme der IN-Aktivierung bei Temperaturabnahme durch verschiedene Luftproben festgestellt10,11,12.
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