Wie uns ein Eiskristall mehr über unsere Umwelt und unser Klima verraten kann

Wenn eine flauschige, weiche Wolke am Horizont erscheint, kann niemand widerstehen, zum Mobiltelefon zu greifen, um diesen Moment festzuhalten. Wenn der Himmel mit dunklen Wolken bedeckt ist, wissen wir, dass ein Regensturm bevorsteht. Unsere Erfahrung seit der Kindheit lehrt uns, dass Regen aus den Wolken fällt. Aber wissen Sie, was genau in den Wolken zu Regen wird?

Die Ansammlung von Nebeltröpfchen und die Lichtdurchlässigkeit bilden dunkle Wolken

(Bildquelle: Wikipedia)

Wolken sind Ansammlungen einer großen Zahl winziger Wassertröpfchen und Eiskristalle, die in der Luft schweben. Obwohl Wolken aus Wasser bestehen, können Wassertropfen aufgrund der Oberflächenspannung nur schwer größer werden und daher auch nicht so leicht aus den Wolken fallen. Sogar größere Wassertropfen verdunsten schnell und verwandeln sich in Wasserdampf, nachdem sie aus den Wolken gefallen sind, und kehren dann in die Wolken zurück. Im Vergleich zu Wassertropfen ist es für Eiskristalle wahrscheinlicher, dass sie aus den Wolken entweichen, zu Boden fallen und Niederschlag bilden. Daher ist die Bildung von Eiskristallen für den Niederschlag von entscheidender Bedeutung.

Wie entstehen Eiskristalle? Wir sehen nur die schöne Erscheinung von Eiskristallen, aber welche Reaktionen finden in ihrem Inneren statt?

1. Wie entstehen schöne Eiskristalle?

Mit bloßem Auge ist es vielleicht schwer zu erkennen, aber unter dem Mikroskop sind Eiskristalle tatsächlich sehr zart und schön. Generell kann die Bildung von Eiskristallen auf zwei Arten erfolgen: Erstens bilden Wassertropfen oder Wolkentröpfchen direkt Eiskristalle; die andere besteht darin, dass Wasserdampf oder unterkühlte Wassertropfen unter der Einwirkung von Partikeln kondensieren oder gefrieren und Eiskristalle bilden. Die Schlüsselsubstanz, die die Bildung von Eiskristallen auslösen kann, sind Eiskernpartikel.

Eiskristalle in der Atmosphäre

(Bildquelle: snowcrystals)

Im Allgemeinen erfordert der erste Weg eine Temperatur unter -38 Grad Celsius, was unter realen atmosphärischen Bedingungen nur schwer zu erreichen ist. Daher entstehen Eiskristalle im Allgemeinen auf dem zweiten Weg, also mit Hilfe von Eiskeimpartikeln.

Welche Partikel können als Eiskeime dienen? Tatsächlich handelt es sich bei Staub, Bakterien und sogar Pollen, die in der Luft schweben, allesamt um Eiskernpartikel mit sehr starker Eisbildungsaktivität. Bei dem hier gemeinten Staub handelt es sich überwiegend um mineralische Partikel, die zu den wichtigsten Eiskernpartikeln in der Atmosphäre zählen.

2. Mineralpartikel und heterogene Reaktionen

Mineralische Partikel, die aus ariden und semiariden Regionen in die Atmosphäre ausgestoßen werden, haben erhebliche Auswirkungen auf die Luftverschmutzung, die menschliche Gesundheit und den Klimawandel. Wenn Mineralpartikel in der Atmosphäre schweben, können sie aufgrund ihrer großen Oberfläche leicht Schadstoffe in der Atmosphäre absorbieren und mit ihnen reagieren. Der Reaktionsprozess von Gasen auf der Oberfläche von Partikeln wird als heterogene Reaktion bezeichnet.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die heterogene Reaktion zwischen mineralischen Partikeln und Stickstoffdioxid eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Stickoxiden sowie der Bildung von Ozon und Nitraten spielt und somit die Luftqualität erheblich beeinträchtigt. Allerdings ist noch immer nicht bekannt, welchen Einfluss die heterogenen Reaktionen von NO2 auf die Eisbildungsaktivität von Mineralpartikeln haben.

Sandstürme: Schwere Luftverschmutzung durch Mineralpartikel

(Bildquelle: Wikipedia)

Um dieser Frage nachzugehen, haben wir eine Methode zur Messung der Eisbildungsaktivität atmosphärischer Partikel entwickelt (Guangzhou Institute of Geochemistry Ice Nucleation Apparatus, GIGINA) und diese Methode angewendet, um die Auswirkungen der heterogenen Phasenreaktion von NO2 auf die Eisbildungsaktivität mineralischer Partikel zu untersuchen.

Die von uns ausgewählten Mineralpartikel sind Kalifeldspat und Arizonastaub. Kalifeldspat gilt derzeit als Mineralpartikel mit starker Eisbildungsaktivität, während Arizona-Staub ein Ersatz für natürliche Staubpartikel ist. Aufgrund seiner bekannten Partikelgrößenverteilung, Mineralzusammensetzung und einfachen Beschaffungsmethoden wird es international häufig verwendet.

Auswirkungen der heterogenen Phasenreaktion von Stickstoffdioxid auf die Eisnukleationsaktivität von Mineralpartikeln

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wir stellen fest, dass heterogene Reaktionen von NO2 die Eisnukleationsaktivität von Feldspat und Arizona-Staub erheblich reduzieren können. Insbesondere während der Reaktionsdauer von 0 bis 6 Stunden stieg der Nitratgehalt, der aufgrund heterogener Reaktionen auf der Oberfläche der Feldspatpartikel entstand, mit zunehmender Reaktionszeit allmählich an. gleichzeitig nahm die Eisbildungsaktivität des Feldspats mit zunehmender Reaktionszeit allmählich ab. Als die Reaktionszeit jedoch weiter auf 24 Stunden verlängert wurde, änderten sich der Nitratgehalt und die Eisnukleationsaktivität des Feldspats nicht signifikant.

Bei Arizona-Staub stellten wir fest, dass während des Reaktionszeitraums von 0 bis 24 Stunden der Nitratgehalt des Arizona-Staubs mit zunehmender Reaktionszeit allmählich anstieg. gleichzeitig nahm seine Eisbildungsaktivität allmählich ab. Darüber hinaus stellen wir fest, dass die anisotrope Reaktion von Stickstoffdioxid erhebliche Unterschiede in den Auswirkungen auf Feldspat und Arizona-Staub aufweist.

3. Wer beeinflusst die Eisbildungsaktivität von Mineralpartikeln?

Wie verringert die heterogene Reaktion von Stickstoffdioxid die Eisbildungsaktivität dieser beiden Mineralpartikel? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, welche besonderen Eigenschaften Mineralpartikeln eine starke Eisbildungsaktivität verleihen.

Aktuelle Forschungsergebnisse haben ergeben, dass die Oberflächeneigenschaften von Mineralpartikeln, wie Oberflächenmorphologie, Gitterstruktur und funktionelle Oberflächengruppen, eng mit der Eisnukleationsaktivität der Partikel zusammenhängen. Eine in Science veröffentlichte Studie ergab beispielsweise, dass sich Eiskristalle häufig in Defekten und Rissen auf der Oberfläche von Mineralpartikeln bilden.

Aufgrund fehlender Kenntnisse über den Eisbildungsmechanismus von Mineralpartikeln können wir nicht genau beantworten, warum heterogene Reaktionen die Eisnukleationsaktivität von Mineralpartikeln verringern können. Hier versuchen wir jedoch, den folgenden Mechanismus zur Erklärung vorzuschlagen: Während der heterogenen Reaktion reagiert Stickstoffdioxid mit der Oberfläche von Mineralpartikeln und ersetzt Kalium, Natrium und Aluminium in der Gitterstruktur der Mineralpartikel, wodurch die Gitterstruktur der Mineralpartikel verändert und ihre Eisnukleationsaktivität verringert wird. Andererseits verändern heterogene Reaktionen die Hydroxyl-Funktionsgruppen auf der Oberfläche der Partikel, wodurch die Oberflächeneigenschaften der Partikel beeinträchtigt und ihre Eisnukleationsaktivität weiter verringert wird.

Bis heute können Wissenschaftler den mikroskopischen physikalischen Prozess der Eiskristallbildung in der Atmosphäre und seine Einflussfaktoren noch nicht genau beantworten. Die weitere Erforschung dieser Fragen wird jedoch eine wichtige Rolle für unser zukünftiges Verständnis der Auswirkungen atmosphärischer Partikel auf Umwelt und Klima spielen.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Chen Lan, Xia Di, Tang Mingjin (Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo