Eisnukleationsaktivität von Alkalifeldspat in Aerosol

• Antragsteller: Dr. Alexei Kiselev
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515700978

Aerosole fördern die Wolken- und Niederschlagsbildung und sind damit entscheidend für atmosphärische Prozesse und das Klima. Alkalifeldspat ist einer der aktivsten Eiskeimen in luftgetragenem Mineralstaubaerosol. Dies wurde Ähnlichkeiten in der Kristallstruktur zwischen Eis und bestimmten Gitterebenen und spezifischen Oberflächenmerkmalen von Feldspat zugeschrieben, die als „Aktive Stellen“ für Eisnukleation dienen. Eine systematische Untersuchung der Eiskeimbildungsoberflächenmerkmale und der Mechanismen, die der Eiskeimbildung auf Alkalifeldspat zugrunde liegen, ist jedoch noch unvollständig. Die Eiskeimbildung auf Alkalifeldspat wird durch die Oberflächentopographie erleichtert. Die Oberflächentopographie hängt mit Entmischungslamellen, Zwillingsgrenzen und sekundärer Porosität zusammen, die durch Mineralreaktionen erzeugt wird, die Alkalifeldspat typischerweise während des Abkühlens von Formationstemperaturen durchläuft. Zugehörige offene Risse und Poren legen Bereiche günstig orientierter Oberflächen frei, die Vorlagen für epitaxische Eiskeimbildung und Eiswachstum bieten und aufgrund der begrenzten Raumgeometrie die Kondensation von Wasser und Eiskeimbildung bei relativer Feuchte unterhalb der Wassersättigung erleichtern. Diese Hypothesen sollten experimentell überprüft werden. In diesem Projekt werden dem Alkalifeldspat durch Reaktion mit Alkalihalogenidschmelzen und -lösungen günstig ausgerichtete Oberflächenrisse und sekundäre Porosität induziert, und Feldspäte, die Entmischungsslamellen enthalten, werden geätzt, um die Nanoporosität an den Lamellengrenzen zu verbessern. Die unberührten und konditionierten Feldspäte werden dann für Immersionsgefrierexperimente in einem Droplet-Freezing-Assay-Aufbau verwendet, der auf optischen und in Niederdruck-Rasterelektronenmikroskopen (ESEM) montiert ist. Die hohe räumliche Auflösung wird eine Korrelation von Oberflächenmerkmalen und Eiskeimbildungsstellen ermöglichen. Depositionsgefrierexperimente werden im ESEM und in einer Umweltkammer durchgeführt, die in einer Synchrotronanlage installiert ist, um Phasen-, Struktur-, Stress- und Orientierungsinformationen von adsorbiertem Wasser und mineralischer Phase mit hoher räumlicher (ESEM) und Zeitauflösung von weniger als einer Sekunde (Synchrotron- basierte Beugung). Der Vergleich der Ergebnisse von reinem und konditioniertem Alkalifeldspat wird die aktiven Stellen der Eiskeimbildung und die zugrunde liegenden Mechanismen aufzeigen. Die Experimente werden durch atomistische Modellierung ergänzt, die vorhandene neuronale Netzwerkpotentiale für Alkalifeldspat, Wasser und Eis kombiniert. Aus der Kombination dieser fortschrittlichen experimentellen und Simulationstechniken werden grundlegende neue Erkenntnisse erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Christoph Dellago; Dr. Elena Petrishcheva
• Mitverantwortlich(e): Dr. Bärbel Krause