Kondensation und Sublimation in der oberen Troposphäre

Kurzfassung

Kurzfassung zusammengestellt aus mehreren Teilen des Forschungsberichts: Hinter Flugzeugen in größerer Höhe kann man oft mehr oder weniger lange Kondensfahnen beobachten. Die in der Deutschen Forschungsanstalt für Segelflug (DFS) durchgeführten Untersuchungen über die Entstehungsbedingungen von Kondensfahnen haben ergeben, dass nicht die Kernzufuhr, sondern die Zufuhr des in den Auspuffgasen enthaltenen Wasserdampfes die Ursache für ihre Entstehung ist. Kondensfahnen wurden hinter einem Henschel-Flugzeug HS 126 am häufigsten bei Temperaturen von etwa -45° beobachtet. Kondensfahnen entstehen, wenn die Summe aus dem zugeführten Wasser plus dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasser den Sättigungswert überschreiten. Dann kommt es zu Kondensation. Dass der Wasserdampf trotz tiefer Temperaturen kondensiert und nicht sublimiert, erkennt man daran, dass sich an einem Schleppkörper und in einem in einiger Entfernung (bis einige 100 m) dahinter fliegenden Flugzeug Rauhfrostbeschlag bildet, der durch das Gefrieren auffallender unterkühlter Tröpfchen entsteht. Die kurzen Kondensfahnen bestehen also aus Wassertröpfchen. Da die in den Auspuffgasen enthaltene Wasserdampfmenge etwa bekannt ist, kann man aus der Bildung der Kondensfahnen in erster Näherung die relative Feuchte der ungestörten umgebenden Luft für die Höhe berechnen, in der sie sich bilden. Die Kondensation der Auspuffgase beginnt, je nach Temperatur, zwischen 10 und 20 m hinter dem Leitwerk. Die Theorie (von E. Schmidt, 1941) stimmt gut mit der Wirklichkeit überein. An den Messtagen mit 150 Aufstiegen betrug die relative Feuchtigkeit in der oberen Troposphäre durchschnittlich 50 %. Oberhalb der Tropopause ist die Atmosphäre zu trocken um sichtbare Kondensfahnen zu bilden. Jedoch kamen noch bei Temperaturen bis zu etwa -50°C auch zeitweilig Frostübersättigung und sogar Wasserwolken, also Wassersättigung, vor. Dies zeigen Beobachtungen einer dreifach bunten Glorie bei -48°C und der Beschlag auf einem Auffangschirm, weiß ohne Kristalle. Hier handelt es sich um Wasserwolken. Merkbare Wasserübersättigungen wurden nie angetroffen, was darauf zurückzuführen ist, dass auch noch in diesen Höhen genügend Kondensationskerne vorhanden sind. Auf Grund der Volmer'schen Theorie wird in vorliegender Arbeit eine Hypothese entwickelt, nach der die Ursachen der Wasser und Eiswolkenbildung bei tiefen Temperaturen erklärt werden können. Während die kurzen Kondensfahnen aus Wassertröpfchen bestehen, bilden sich die längeren und beständigeren ebenso wie unterkühlte Wasserwolken mit der Zeit in Eis um. Die Umbildung der Wassertröpfchen in der Kondensfahne in Eiskristalle findet in den meisten Fällen in sehr kurzer Zeit statt. In der aus Eisteilchen bestehenden Auspuffwolke zeigen sich oft sehr schöne optische Erscheinungen. So wurde auf einer Auspuffwolke eine Nebensonne und ein Stück eines Halos beobachtet. Die Eiskristalle entziehen der frostübersättigten Umgebung den überschüssigen Wasserdampf und werden schnell größer, sodaß nach einiger Zeit Fallstreifen ausschneien. Wenn auch die Untersuchung der Cirrenteilchen mit Auffangschirmen noch in den Anfängen stecken, so zeigen doch die Beobachtungen zumeist Körnchen und Klümpchen. Säulchen und Plättchen wurden bisher seltener beobachtet. Schneesternchen treten überhaupt nicht auf. Am Ende der Arbeit werden noch die Beobachtungen über die Mächtigkeit der Cirren zusammengestellt. Gliederung I. Problemstellung II. Einleitung 1.) Flugtechnisches bei den Versuchen 2.) Messmethode und Messergebnisse 3.) Auswertung der Messergebnisse 4.) Fehlerabschätzung 5.) Die mittlere relative Feuchtigkeit in der oberen Troposphäre 6.) Auspuffwolkenbildung bei Eissättigung IV. Kondensation und Sublimation. 1.) Theorie der Tropfen-und Kristallbildung 2.) Die Rolle der Kondensationskerne 3.) Sublimationskerne 4.) Die Rolle der Keimbildungsgeschwindigkeit in der Atmosphäre 5.) Konvektionswolken 6.) Die Umbildung von unterkühlten Tröpfchen in Eiskristalle 7.) Advektionswolken 8.) Kondensfahnenbildung in frostübersättigten Schichten 9.) Künstliche Impfung der oberen Troposphäre? 11.) Die Umbildung der Kondensfahnen in eine Eiswolke 12.) Optische Erscheinungen in den sich verbreiternden Kondensfahnen V. Die Cirren. 1.) Kristallformen in Cirren 2.) Mächtigkeit von Zirren VI. Zusammenfassung. VII. Literaturverzeichnis English translation of the above summary, compiled from several parts of the report: Title: Condensation and Sublimation in the upper troposphere Behind aircraft flying at large altitudes, one often observes shorter or longer condensation trails (contrails). The investigations on the formation conditions of contrails, performed in the German Research Institute for Sailplane Flight (DFS), have shown that contrails are caused not by the nucleation particles but by water emitted with the exhaust gases. Behind the aircraft of type Henschel HS-126, it is most often observed at temperatures of about -45°C. Contrails form when the sum of the emitted water and the water in the ambient atmosphere exceeds liquid water saturation. Then water condenses. The fact that water does condense and not sublimate in spite of low temperatures can be seen from the observations of frost deposited on towed bodies and on other aircraft following at distances up to several 100 m. Such frost is caused by impacting subcooled water droplets. Short contrails consist of water droplets. Since the amount of water in the exhaust gases is known, one can to first order compute the relative humidity in the ambient air at those flight altitudes where contrails form. Condensation starts, depending on temperature, about 10 to 20 m behind the tail of the aircraft. The theory of E. Schmidt (1941) agrees well with reality. Based on the observations at several days with 150 aircraft profile samplings, it was found that the relative humidity in the upper troposphere was on average 50 %. Above the tropopause, the air is too dry for formation of visible contrails. Ice supersaturation and liquid water clouds were observed, even at temperatures down to about -50°C. This is confirmed by observations of triple colored glories at -48°C and deposit without obvious crystals found on collector screens in such clouds. These are water clouds. Significant water supersaturation was never found. This was to be expected because of the sufficient number of condensation nuclei present at those altitudes. Following the theory of Volmer, this report develops a hypothesis to explain the formation of water and ice clouds at low temperatures. While short contrails consist of small water droplets, longer and more persistent contrails and subcooled water clouds transform into ice clouds after some time. In contrails, water droplets develop into ice crystals in a short time period. The contrails consisting of ice particles show nice optical signatures. For example, a sundog and a piece of a halo were observed in a ice crystal containing contrail. Water above ice saturation in the ambient air gets deposited on the ice crystals in the contrails quickly. The particles then grow quickly and after some time snow falls out in the form of fallstreaks. Though yet in an early stage, the collection of cirrus particles on screens and impactors indicates that most ice crystal are bullets and aggregates. Columns and plates occur more rarely. Snow crystals are never observed. The report ends with a compilation of observations of cirrus thicknesses. Table of Content I. Problem description II. Introduction 1.) Flight test techniques during the experiments 2.) Measurement methods and results 3.) Evaluation of the measurements results 4.) Error estimates 5.) The mean relative humidity in the upper troposphere 6.) Contrail formation at ice saturation IV. Condensation and Sublimation. 1.) Theory of droplet and crystal nucleation 2.) The roll of condensation nuclei 3.) Sublimation nuclei 4.) The roll of nucleation rate in the atmosphere 5.) Convection clouds 6.) The conversion of subcooled droplets into ice crystals 7.) Advection clouds 8.) Contrail formation in ice saturated layers 9.) Artificial seeding in the upper troposphere? 11.) The conversion of contrails into an ice cloud 12.) Optical features in widening contrails V. The cirrus clouds. 1.) Crystal shapes in cirrus 2.) Thickness of cirrus VI. Summary. VII. List of literature references