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Ice nucleation on flame soot aerosol of different organic carbon content

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Abstract:

The aerosol chamber AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) was used as a moderate expansion cloud chamber to investigate the effect of the organic carbon (OC) content on the ice nucleation properties of soot aerosol particles. Two different soot samples with OC contents of 16 % (CS16) and 40 % (CS40) where produced with the CAST (Combustion Aerosol Standard) burner operated at different air/fuel (propane) ratios. In dynamic expansion experiments with about 30 %/min increase of relative humidity with respect to ice, the CS16 sample started to nucleate ice crystals at an ice saturation ratio S of 1.45 (at a temperature of 207 K). This value is very close to the ice saturation ratio of ice nucleation onset on carbon spark generator soot particles coated with a significant amount of sulphuric acid investigated in previous AIDA expansion experiments. A second experiment with CS40 soot performed at almost identical thermodynamic conditions showed ice nucleation onset to occur at S between 1.5 and 1.7. The formation rate of ice crystals was at least two orders of magnitude less than for CS16 soot, even at ice saturation ratios up to values of 1.9, which is very close to water saturation at a temperature of 207 K. Therefore, increasing the amount of OC seems to significantly suppress the ice nucleation on flame soot particles. In contrast, similar expansion experiments with dry and untreated mineral dust particles (Arizona test dust) in the temperature range 194 to 241 K showed ice nucleation to occur at much lower ice saturation ratios of only 1.05 to 1.15.

German
An der Aerosolkammer AIDA (Aerosol-Interaktionen und Dynamik in der Atmosphäre) des Forschungszentrums Karlsruhe wurde die heterogene Eisnukleation auf Rußpartikeln mit unterschiedlichem Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) untersucht. In der Aerosolkammer wurden hierfür dynamische Wolkenprozesse durch eine kontrollierte Druckabsenkung des Kammervolumens simuliert. Ausgehend von nahezu eisgesättigten Bedingungen nahm die relative Eisfeuchte während der Eisnukleationsexperimente mit einer Rate von etwa 30 %/min zu. Durch Variation des Brennstoffgemisches (Propan zu synthetischer Luft) für den CAST (combustion aerosol standard)-Brenner konnten zwei verschiedene Rußproben mit einem OC-Gehalt von 16 % (CS16) und 40 % (CS40) erzeugt werden. Bei dem Expansionsexperiment mit CS16-Ruß, das bei einer Temperatur von etwa 207 K durchgeführt wurde, entstanden Eiskristalle bei einem Eissättigungsverhältnis von 1,45, nahe dem Wert für die Eisnukleation auf Rußpartikeln aus einem Graphit-Funkengenerator, die mit Schwefelsäure beschichtet worden waren. Das zweite Experiment mit CS40-Ruß wurde bei nahezu identischen thermodynamischen Bedingungen durchgeführt. Es bildeten sich nur sehr wenige Eispartikel bei einem Eissättigungsverhältnis zwischen 1,5 und 1,7. Bis zu einem maximalen Eissättigungsverhältnis von etwa 1,9 war die Bildungsrate von Eispartikeln auf CS40-Ruß mindestens um zwei Größenordnungen niedriger als auf CS16-Ruß. Die Eisbildung von Flammenruß scheint also durch zunehmenden Gehalt an organischem Kohlenstoff massiv unterdrückt zu werden. Ganz anders verhalten sich dagegen Mineralstaubpartikel (Arizona Test Dust), die in vergleichbaren Expansionsexperimenten bereits bei einem Eissättigungsverhältnis von 1,05 bis 1,15 Eispartikel in hoher Anzahl bildeten.

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0055

Publication date: 2005-08-01

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