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Research Collection
Doctoral Thesis
Die Wasserdampfkondensation an natürlichem Aerosol bei
geringen Übersättigungen
Author(s):
Wieland, Walter
Publication Date:
1956
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-000089278
Rights / License:
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ETH Library
Prom. Nr. 2577
Die
an
Wasserdampfkondensation
natürlichem Aerosol bei
geringen
Übersättigungen
VON DER
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
IN ZÜRICH
ZUR ERLANGUNG
DER WÜRDE EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
GENEHMIGTE
PROMOTIONSARBEIT
VORGELEGT VON
WALTER WIELAND,
dipl. phys.
VON
ZÜRICH und TRÜLLIKON
Referent:
Herr Prof. Dr. P. Scherrer
Korreferent:
Herr Prof. Dr. R.
BASEL
Buchdruckerei Birkhâuser AG.
1956
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Meiner Frau
4
Wasserdampf kondensation an natürlichem
bei geringen Übersättigungen
Die
Von Walter Wieland, Locarno
1.
Aerosol
Monti1)
Einleitung
Wasserdampfkondensation in der Atmosphäre ist eine alltagliche
scheinung. Schon im vergangenen Jahrhundert wurde die Bedeutung
Die
Kondensationskerne erkannt, doch ist bis heute
des
mannigfaltigen
Aerosols bei der
auch chemische
wie
der
unbestimmt, welche Partikeln
Kondensation
bevorzugt werden.
Die
begründet werden, dass die Feinheit des Aerosols sowohl
Ursache mag damit
physikalische
Er¬
Untersuchungen schwierig gestaltet und
gearbeitet werden muss, um eine be¬
nicht selten mit indirekten Methoden
stimmte
Eigenschaft
Durch
geeignete
kommeters ist
es
C
der Kerne studieren
Wahl der
Junge
Auffangplatten
Umgebung zu untersuchen.
folgende Resultate erwähnt
der
werden
Im Grossenbereich
von
können.
Benutzung eines Doppel[1], [2]2) gelungen, das Verhalten
Abhängigkeit der relativen Feuchte
und
und Mitarbeitern
des natürlichen und kunstlichen Aerosols
(RF)
zu
r
10
6
in
Aus diesen aufschlussreichen Arbeiten
cm
bis 10~3
cm
setzt sich das naturliche
Aerosol
vorwiegend aus Mischkernen zusammen Die Kerne sind somit Konglo¬
merate hygroskopischer und wasserunlöslicher Substanzen
Em merkliches Anwachsen der Kerne durch Adsorption oder Absorption
von Wasserdampf beginnt erst oberhalb einer relativen Feuchte von 70%.
Fur Kerne mit
einem
Radius grosser als 10~5
dN
const
dlogr
r3
Hand
gilt
das
Verteilungsgesetz
....
'
*
wobei N die Anzahl der Teilchen mit dem Radius
Die
cm
r eines
'
natürlichen Aerosols ist.
Elektronenmikroskop-Aufnahmen gewonnenen Resultate
[3], [4] geben wenig Aufschluss, da einerseits bei gut ausgebildeten Kristallen
die Umrisse durch angelagerte Fremdkorperchen verdeckt werden und ander¬
seits leicht fluchtige Stoffe im Hochvakuum verdampfen.
Über die Anzahl der Kondensationskerne, die in einer Expansionskammer
mit einem Hub von 1,25 ausgefällt werden, liegen Tausende von Messungen
Die vollautomatischen Kondensationskernzahler [7], T8] erlauben
vor [5], [6].
*)
2)
an
von
Osservatono ricmese d IIa Centiale
Die Ziffern
in
eckigen Klammern
Mttcorologica
verweisen
Svizzeia
auf das I
lteraturvcrzcichnih, Sute 4j0
Wasserdampfkondensation
an
5
naturlichem Aerosol
Gegensatz zu den einfacheren Konstruktionen [9], [10], eine fortlau¬
Registrierung des Kernganges, ergeben aber keine Aussage über die
Aktivität der Kerne im eigentlichen Kondensationsbereich. Es wird nachge¬
wohl,
im
fende
wiesen
Zunahme der Kerndichte durch künstliche oder natürliche Fabrikation
von
Initialkernen.
Umgekehrt
[11], [12]
die Abnahme durch
Abhängigkeit
Diffusion, Sedimentation und Koagulation
des natürlichen Aerosols
der
Windrichtung [13], [14], [15].
[16], [17]. Jedoch erlaubt die
definitive Aussage über die Hohen-
von
Die Abnahme der Kernzahl mit der Hohe
geringe Anzahl der
Messungen
verteilung.
Die Meteorologen
noch keine
interessieren sich aber
den Einsatz der ersten
vor
allem fur
Angabe
eine
über
eigentlichen
Eigenschaften dieser meteorologisch wirksamen Konden¬
sationskerne Die Losung dieser Aufgabe wird dadurch erschwert, dass der
Ubersatügungsgrad m der Atmosphäre nicht genügend genau ermittelt werden
kann. Nach Flugzeug- und Baiionaufstiegen schwanken die Werte zwischen
100% und 120% RF.
Anscheinend wurden Messungen über den Einsatz der Kondensation an
Kernen bei geringen Übersättigungen nur von J. Aitken [18] und C. Junge [19]
ausgeführt. Beide arbeiteten mit dem Expansionsprinzip.
Die von J Aitken aufgebaute Apparatur liess eine Berechnung der Was¬
serdampfÜbersättigung nicht zu, aber er konnte nachweisen, dass je nach der
Zusammensetzung des Aerosols eine grossere oder kleinere Übersättigung not¬
sphäre
am
Aerosol
in
der Atmo¬
und fur die
wendig ist,
dass
Kondensation
um
alle Kerne auszufallen. Besonders hat
fur Freiluftaerosol
geringere
er
darauf
Übersättigungen notwendig
hingewiesen,
sind
als
fur
junges Rauchaerosol.
Die
von
C.
Junge konstruierte Expansionskammer erlaubte
sattigungsanderung
eine
Uber-
0,5%. Das zu untersuchende Aerosol musste
aber vorgangig verdünnt werden. Systematische Untersuchungen an natür¬
lichem Aerosol wurden nicht durchgeführt.
Theoretische Betrachtungen
Die unsicheren Aussagen über das Verhalten der natürlichen Kondensa¬
tionskerne bei geringen Wasserdampfubersattigungen und die spärlichen
meteorologischen Angaben hessen vermuten, dass sich alle Aitken-Kerne an
der Wolkenbildung beteiligen. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der m den
verschiedenen Wolkentypen gemessenen Tropfchendichte [20], die m der Regel,
besonders aber über Industriegebieten, wesentlich kleiner ist als die Kerndichte.
Dies veranlasste eine weitere Gruppe, vor allem H. Koehler [21], die
hygroskopischen Kerne vom übrigen Aerosol zu trennen. Die Bedeutung dieser
Unterscheidung wird ersichtlich, wenn wir die Grossenanderung der Kerne
von
0,5
zu
6
Walter Wieland
relativen Feuchte
mit der
druckgleichgewicht
verfolgen Fur em Losungstropf chen,
Umgebung steht, gilt
P
=
Poo
dabei sind
das
im
Dampf
-
mit der
x +
APi
Ap%
Poo
Poo
pœ Dampfdruck über der ebenen Wasserflache,
Dampfdruck über der Tropfchenoberflache,
px Dampfdruckerhohung infolge der Oberflachenkrummung,
pz Dampfdruckermedngung infolge des gelosten Stoffes
p
Werden
so
kann
nur
Losungstropfchen
eine
mit
eventuelle elektrische
einem
Radius grosser als 10~6
Aufladung vernachlässigt
cm
betrachtet,
werden
Bei Berücksichtigung des Gesetzes von Thomson fur den Emfluss der Ober¬
flachenspannung und des Gesetzes von Raoult fur verdünnte Losungen folgt
Da bei stark
grosser
möglich,
sein
wie
hygroskopischen Losungstropfchen oder Kernen Ap2 wesentlich
als Aplt ist ein Anwachsen schon unterhalb 100% RF
dies auch in Figur 1 fur H2S04 Tropfchen dargestellt ist Mit zu¬
kann
nehmender Feuchte der
Umgebung vergrossert sich
der
Radius, bis der Schei¬
telpunkt S der Wachstumskurve erreicht wird Nachher wachst das Losungs¬
tropfchen bei konstant gehaltener Feuchte weiter an. Der Verlauf der Wachs¬
tumskurve bis 100% RF wurde durch C Junge [19] experimentell bestätigt
Quelle hygroskopischer Kondensationskerne werden vor allem die
an der Brandung und bei starkem Wellengang zerspruhten Wassertropfchen verdampfen, zurück bleiben kleine NaCl-Knstalle, die
vom Luftstrom fortgetragen werden und spater unter geeigneten Bedingungen
als Kondensationszentren wirken können Tatsachlich zeigt eine Analyse von
Regenwasser auf Chlor und Natrium, dass eine derartige Niederschlagsregulie
rung möglich ware Ebenso hat A H Woodcock [22] in Meeresluft bis m eine
Hohe von 2700 m NaCl Kristalle nachgewiesen, in Bodennahe teilweise eine
Dichte von 5 106 NaCl-Partikeln/m3 Über Festland hat H Dessens [23] mit
Als
Meere betrachtet Die
Spinnfadenmethode einzelne NaCl Kristalle als Ruckstande ver¬
dampfter Nebeltropfchen gefunden
Ob allem die durch die Meere gelieferten NaCl-Kerne als meteorologische
Hilfe
der
Kondensationskerne
in
Betracht kommen, wird verschiedentlich bezweifelt
Analyse
Regenwasser auf Chlor ist nicht stichhaltig, da Chlor auch in
Verbindungen oder selbst als Gas m die Regentropfen gelangen kann[l]
Zudem ware es ausgeschlossen, dass dieselbe Luftmasse über Festland zwei
Die
von
anderen
oder mehrmals ausregnen konnte, da der Nachschub
ist somit noch nicht
Meersalzkristalle die
abgeklärt,
Wolkenbildung
ob die
an
NaCl-Kernen fehlt
verschiedenartigen
der Atmosphäre ermöglichen.
in
Es
Mischkerne oder die
Wasserdampfkondensation
Um den
sphäre
an
7
natürlichem Aerosol
komplizierten Vorgang der Wasserdampfkondensation in der Atmo¬
zu können, soll in der vorliegenden Arbeit unter¬
etwas besser verstehen
sucht werden:
1. Bei welcher
Übersättigung
2. Lassen sich die
übrigen
tritt
am
Freiluftaerosol Kondensation ein?
meteorologisch bedeutenden
Kondensationskerne
von
den
Aitken-Kernen trennen ?
%
110
100
90
80-
70'
60-
50-
40-
""346 810~B
2346
Figur
Wachstuniskurveu
von
ist die
Da bei
sättigung
H2S04-Losungstropichen
nur
mit dem
zu
lösen, die
Entsprechend Figur
an
cm
Junge.
fur
reine
Die mit
das
bleibt,
H20
bezeichnete Kurve
Wassertropfchen.
Expansionsprinzip
für sehr kurze Zeit erhalten
mit einer Methode
2
1
nach C.
Dampfdruckgleichgewichtbkurve
Untersuchungen
810~5
wird
eine bestimmte
versucht,
Mischwolkenprinzip
1 wird für diese Arbeit definiert
Über¬
das Problem
anlehnt.
:
Scheitelpunktes S einer Wachstumskurve gehört
zur Vorkondensation, derjenige rechts davon zur eigentlichen Kondensation.
2. Entsprechend wird bis und mit Scheitelpunkt von Kondensationskernen
oder Lösungströpfchen gesprochen und nach dem Überschreiten der Schwelle
von Kondenströpfchen.
1. Der Abschnitt links des
8
Walter Wieland
ausgeschlossen, dass bei gleichbleibender Feuchte und ruhiger
Kondenströpfchen andauernd schwebt, es wird weiter anwachsen, bis
Es ist somit
Luft ein
es
im Schwerefeld ausfällt.
Lösungströpfchen
Es ist denkbar, dass auch ein grosses
dank seiner Masse
sedimentiert, jedoch sind bei den vorgenommenen Experimenten die
Messzeiten so kurz, dass dieser Einfluss vernachlässigt werden darf.
rasch
2. Vorversuche
1.
Experiment
Wasserdampfdruck und verschiedener
folgenden Bedingungen durchmischt werden: die
beiden Volumen V1 und V2 und der Luftdruck seien gleich, die Wände des
Behälters sollen den Vorgang nicht beeinflussen.
Dann gilt nach vollendeter Mischung
Zwei Luftmassen mit verschiedenem
Temperatur
sollen unter
für den
für die
Dampfdruck
:
p
T
Temperatur :
=
-
—
-1
=
2-
;
-—2
.
Besitzen die beiden Luftmassen eine relative
ist die
gemischte
Anwesenheit
von
Luft immer mit
Feuchtigkeit von 100%, so
Wasserdampf übersättigt (Figur 2), und bei
hinreichend aktiven Kondensationskernen bildet sich ein
Bestimmung der Übersättigung des Gemisches aus den An¬
fangstemperaturen 7\ und T2 und den entsprechenden Sättigungswerten fit
und p2 erweist sich die in Figur 3 dargestellte Kurvenschar als zweckmässig.
Ist für eine bestimmte Kurve die Temperatur Tt konstant und T2 variabel, so
kann für jede Temperaturdifferenz AT
Tx aus dem Temperaturmittel
T2
und dem Mittelwert der entsprechenden Sättigungsdampfdrucke die relative
Feuchte berechnet werden. In Figur 3 sind die Übersättigungspromille Ü gegen
feiner Nebel. Zur
=--
Temperaturdifferenzen A
die
T
aufgetragen.
2.
In der
von
65
Anordnung,
mm
wie sie
geschlossene
Experiment
Figur
Durchmesser und 10
dessen Unterseite ein feuchtes
—
mm
4a
zeigt,
wird ein
Höhe mit einem
zylindrisches
Gefäss
Aluminiumblock, auf
Löschpapier aufgeklebt ist, zugedeckt. Die ein¬
Wandung und Bodenfläche besitzen die Tem-
Luft wie auch die
Wasserdampfkondensation
an
9
naturlichem Aerosol
Saltigungs-
dampfüruck
19
20
21
22
23
Zk
Figur
Verlauf der Übersättigung.
26
27
28
29
31
°C
=
Sattigungsdampfdruckkurve.
3
Ubersattigungspromüle bei Mischprozesseu berechnet
Tv
T2
(7\ + r2)/2 und (p1 + p,)ß (Sattigungswerte), ZI/
den Kurven sind die Temperaturen Tx der kälteren Luftmassen angegeben.
zur
Bestimmung der
=
Neben
30
2
P1 P% P2
Figur
Diagramm
*—r
25
-
mit.
10
Walter Wieland
peratur Tlt der Wârmeblock die Temperatur T2 > Tv Innerhalb einer Sekunde
wird im geschlossenen Gefàss, je nach der Grösse der Temperaturdifferenz, ein
jedoch nicht ruhig,
Ringwirbel (Figur 5),
stärkerer oder schwächerer Nebel sichtbar. Die Luft bleibt
sondern
gleichzeitig
c
|. ',
iM .{
Figur
im
Wirbelbewegung;
Luft,
z
•?
ifr
Nebelbildung
entsteht ein
l
I
Stationärer Zustand
fur
mit der
4
Figur
a
Zone maximaler
4b
Temperaturgefalle
Messzylinder. Links
rechts: fur «ruhige»
zu
Figur
4
a.
Übersättigung.
der das ganze Gefàss ausfüllt und über längere Zeit erhalten bleibt. Die den
Nebel bildenden Tröpfchen fallen innerhalb weniger Sekunden aus, neue bilden
sich keine.
Übersättigung innerhalb des Messgefässes berechnen zu können,
abgesehen von den Randeffekten folgende Vorgänge zu berücksichtigen :
a) die Wasserdampfdiffusion und der Wärmeausgleich von der Deckfläche zur
Um die
sind
Bodenfläche,
b)
c)
die
Wirbelbewegung,
die Kondensation
an
den Kernen.
Dampf¬
getränkten Löschpapiers dem Sätti¬
gungsdruck bei der Temperatur 7"2 gleich sei und direkt über der Bodenflâche
dem Sättigungsdampfdruck bei 7\. Die der Bodenfläche zugeführte Wärme
soll sofort abgeleitet werden, so dass T2 und Tx konstant sind.
In der
nachfolgenden Diskussion
wird immer angenommen, dass der
druck direkt unterhalb des mit Wasser
Figur
Die
Wirbelbildung
im
5
Messzylinder,
mit Rauch sichtbar
gemacht.
Wasserdampfkondensation
an
a) Wasserdampfdiffusion
11
natürlichem Aerosol
und
Wärmeausgleich
Ausdehnung, so ist eine Wirbel¬
Zwischengebiet ausgeschlossen Nach genügend langer Zeit stellt
sich der stationäre Zustand ein, die Temperatur und der Dampfdruck nehmen
mit der Hohe linear zu (Figur 4 b) Die eingeschlossene Luft ist deshalb mit
Wasserdampf übersättigt
In Figur 2 ist beispielsweise die Deckentemperatur 30° C und die Boden¬
Besitzen Deck- und Bodenflache unendliche
bewegung
im
temperatur 20°C Der jeweilige Ubersattigungsbetrag wird
einerseits durch die
und anderseits durch die Gerade px p2
begrenzt
Sattigungsdampfdruckkurve
Abweichung finden wir in pit da p* mit dem Berührungspunkt
der zu px p% parallelen Tangente an die Dampfdruckkurve zusammenfallt Die
grosste relative Feuchte wird durch das Verhältnis p& zu p% gegeben Sie liegt
Die maximale
also unterhalb der Mittelflache des betrachteten Luftvolumens
In Tabelle 1 wurde fur drei verschiedene Zustande der Verlauf der Obersat
der halben Hohe
tigungspromille von
Betrage zu finden Die Abweichungen
abwärts berechnet,
an
um
-
die maximalen
jeweiligen Temperaturmittel sind
Zehntelsgrad angegeben, wahrend in der ersten Kolonne
die Temperaturmittel eingesetzt sind Die Temperaturdifferenz zwischen Deckund Bodenflache betragt m jedem Falle 10°C
in
der ersten Zeile
vom
in
Tabelle 1
Temperaturmittel
Abweichung
vom
Temperaturmittel
°
C
°C
T2
-
10° C
T1=
0,1
04
06
negativ
3 88
3 90
3 91
3 92
3 91 | Übersat-
15
4 57
4 60
4 63
4 63
4 62
5
5 35
5 39
5 43
5 43
5 42
Nach Tabelle 1 smd die
gleichen
eine
Temperatur
Es soll
Abweichurgen
Zeile sehr gering
zwischen den
Es existiert somit
im
1 tigungs-
1 promille
Übersattigungsprobetrachteten Luft
Zone, deren relative Feuchte angenähert durch den
und
nun
der Deckschicht
Dampfdruckmittel
die
Ausbreitung
verfolgt
werden
dem
Übersättigung kurz nach dem Aufsetzen
Die Diffusion des Wasserdampfes ist gegeben
der
dp
dt
Temperaturausgleich
aus
errechneten Wert bestimmt ist
durch
und der
0,8
25
millen der
volumen
0,2
r,
d*P
dz*
durch
dT
d*T
12
\\
Je
\LTLR
gleich,
nachdem D grosser,
\\
II I AND
kleiner als
a
ist, haben
wir
drei Falle
zu
unterscheiden
D
=
a
Gleichzeitigkeit der Ausbreitung der Temperatur
Dampfdruckes Die fur den stationären Zustand berechnete
Übersättigung wird nie überschritten, aber in jedem Zeitpunkt er¬
Dies ist der Fall der
und des
reicht. Die Zone der maximalen relativen Feuchte wandert mit der
D <
a
der Deckflache gegen die Mittelflache
Zeit
von
Die
Temperatur
eilt
Die
voraus.
zu
grosste Übersättigung finden
wir im
stationären Fall.
Z) >
a
Dampfdruck der Temperatur voraus In diesem Falle
anfanglich grosse Ubersattigungswerte auf, die mit fortschrei¬
Zeit in die Werte des stationären Zustandes übergehen
Hier eilt der
treten
tender
Verwenden
D fur
a
wir
die
Angaben
Wasserdampf
temperatur
zu
bei 20°C
bei 20° C
fur Luft
Nun ist aber
der Smithsonian
Meteorological Tables,
so
ist
0,257 cm2/s,
0,215 cm2/s
berücksichtigen, dass beim Experiment die Oberflachen¬
anfanglich tiefer ist als nachher im stationären
des Loschblattes
Zustand. Vor dem Aufsetzen des Warmeblockes wird die Oberflache des feuch¬
Loschpapiers starker abgekühlt, da mehr Wasser verdampft. Durch die
niedrigere Temperatur und den tieferen Wasserdampfdruck wird die Übersät¬
tigung verringert Spater steigt die Temperatur wohl an, aber zu diesem Zeit¬
punkt hat sich der stationäre Zustand nahezu eingestellt.
Das Experiment bestätigt, dass dieser Emfluss starker ist als die sich ungun¬
ten
stig auswirkende Differenz
bildung
wird
immer
Warmeblockes,
wie
im
der diskutierten Koeffizienten. Die stärkste Nebel¬
Mittelfeld beobachtet und nicht
das fur D >
a zu
b)
erwarten
in
der Nahe des
ware
Der Wirbel
Es wird nun angenommen, dass in dem abgeschlossenen Gefass mit den
Randbedingungen T2, p2 und lupi em Rmgwirbel mit vertikaler Achse exi¬
stiere, dessen Rotationsgeschwindigkeit genügend gross ist, um die Luft derart
zu durchmischen, dass im Wirbelfeld sowohl der Dampfdruck wie auch die
Temperatur konstant sind Besitzen Deck- und Bodenflache gleiche Oberflachenbeschaffenheit, so sind die beiden Grenzschichten gleich dick Aus Sym¬
metriebetrachtungen folgt fur den stationären Zustand, dass die Diffusion
durch die beiden Grenzschichten gleich sein muss Dies ist aber nur der Fall,
wenn
p
=
^-^»
und
T
=
^-
T«
Wasserdampfkondensation
an
gleichen Formeln wie fur
Wirbelbildung. Bevor die unter a)
Also erneut die
Die
einander verbunden werden,
Wirbels
im
Messzylinder.
13
natürlichem Aerosol
den
Mischprozess.
und
b)
Vorgange mit¬
Entstehung des
beschriebenen
kurzen Hinweis auf die
einen
Sobald der Warmeblock auf den
Zylinder gesetzt wird,
Schichtung ist aber
Wandung benachbarte, warme Luft sich dort abkühlt
und als Folge davon abgleitet. Durch Zustrom aus der Mitte wird die an der
Deckflache abgesogene Luftmenge ersetzt. Dadurch entsteht ein laminarer
Ringwirbel, dessen Rotationsgeschwindigkeit durch die Gefassdimensionen und
die Temperaturdifferenz (T2
Tx) bestimmt ist. Kieme Differenzen bewirken
eine schwach ausgeprägte Wirbelbewegung, mit zunehmender Deckentempe¬
ratur vergrossert sich die Rotationsgeschwindigkeit. Dementsprechend geht
der unter a) beschriebene Vorgang immer mehr in b) über. Fur die beiden
Grenzfalle wurde bereits gezeigt, dass die grosstmoghche Übersättigung genü¬
gend genau mit Hilfe der Gleichungen des Mischprozesses berechnet werden
kann. Das trifft auch fur alle Übergangsformen zu, denn jedes aufsteigende
Volumenelement durchquert die Zone der grossten RF.
bildet sich unter der Deckflache
ein
Warmluftkissen. Diese
nicht stabil, weil die der
—
c)
Die Kondensation
an
den Kernen
Berechnung der Übersättigung wurde immer
Kondensationsvorganges ausgeführt. Es bleibt noch
Die
des
ohne
zu
Berücksichtigung
zeigen, dass dadurch
das Resultat nicht
geändert wird.
überschüssige Wasserdampf an den Kernen niederschlagt,
sind die unter a) zusammengefassten Überlegungen nicht mehr gültig. Der
Kondensationsvorgang bewirkt nicht nur eine lokale Abnahme der Über¬
sättigung, sondern gleichzeitig, dank der freiwerdenden Kondensationswarme,
eine örtliche Zunahme der Temperatur.
Fur die Kerne, die bereits zu Kondenstropfchen angewachsen sind, haben
Sobald sich der
diese
Storstellen keinen Emfluss mehr
Sie fallen
im
Schwerefeld
aus.
Die
gedulden, bis
Temperaturgleichgewicht
Dampfdruckeingestellt hat.
Durch die Wirbelbewegung und die fallenden Kondenstropfchen wird dieser
Vorgang beschleunigt
Der Ausgleich vollzieht sich sehr rasch, sind doch selbst bei geringen Über¬
sättigungen innerhalb 40 s alle Tropfchen ausgefallen.
restlichen, hinreichend aktiven Kondensationskerne
müssen
sich das
von neuem
und
3. Das
Dank den beschriebenen
Untersuchung
sichtigen ist, dass
zur
Messgerät
Eigenschaften eignet
Messungen
im
Experiment gut
jedoch zu berück¬
sich das 2.
der Aktivität der Kondensationskerne. Da
besonders bei
sich
Freien die Art und die Anzahl
14
Walter Wieland
der Kerne in kleinen Zeitintervallen grossen Änderungen unterworfen sind,
muss dieselbe Luftmasse gleichzeitig in verschiedenen Behältern mit verschie¬
dener
Übersättigung
Das in
werden
Figur
untersucht werden.
6 schematisch
dargestellte
Wärmestab mit den
Grundplatte
mit den
zerlegt
Wärmeblöcken,
Messzylindern.
Figur
WS
Gerät kann in zwei Teile
:
6
Messgerät für geringe Wasserdampfübersättigungen.
Wärmestab; WB Wärmeblock; WJ Wärmeisolation; H Heizung; Tv T2, T3 Thermometer;
MZ Messzylinder; AP Auffangplatte.
Der Wärmestab WS
Auf dem einen Ende einer
Antikorodalstange von 2 m Länge und 40 mm
Heizung H, deren Heizleistung mit einem Drehwider¬
stand reguliert werden kann. Das andere, freie Ende ist über ein Lager mit der
Grundplatte verbunden. Am Wärmestab sind in gleichen Abständen 20 zylin¬
Durchmesser sitzt die
drische Wärmeblöcke WB
einem Durchmesser
Blöcken und der
messer von
5
mm
von
aus
70
Antikorodal mit einer Höhe
mm
befestigt.
Stange werden
bewerkstelligt.
Die
von
Verbindungen
30
mm
und
zwischen den
durch Antikorodalstifte mit einem Durch¬
Als erste Isolation wurde Resozel und Glimmerband verwendet. Um aber
die
seitlichen
Wärmeverluste
möglichst zu reduzieren, wurde der ganze
eingepackt, so dass nur noch die Boden¬
flächen der Wärmeblöcke mit den aufgeklebten Löschpäpieren sichtbar sind.
Im Ruhezustand sind auch diese mit einem wärmeisolierenden
Wattepolster
zugedeckt.
Im stationären Zustand fliesst ein Wärmestrom vom aufgeheizten Ende
zum Lager des Stabes. Die schmalen Hälse, die den Wärmestab mit den
Wärmestab zusätzlich mit Watte
Wärmeblöcken
verbinden, beeinflussen den laminaren Fluss
nur
wenig.
Zudem
Wasserdampfkondensation
dringen Temperaturschwankungen
der
15
naturlichem Aerosol
an
Heizung weniger
ein, als dies bei weiten Verbindungen der Fall
rasch in die Blöcke
wäre.
guten Isolation die seitliche Wärmeabgabe nicht vollständig
Da trotz der
vermieden werden konnte, besitzt der Stab kein lineares
Für eine bestimmte
Heizleistung wurden
Temperaturgefälle.
Ta <t (i 1,..., 20)
Die entsprechenden
die Temperaturen
der Wärmeblöcke mit einem Thermoelement ausgemessen.
=
T*t eines linearen Temperaturgefälles lassen sich aus den beiden End¬
temperaturen des Wärmestabes berechnen. Wird die Messung für eine weitere
Heizleistung wiederholt ( Jj,|t, Tb*t), so zeigt sich, dass
Werte
X*
X
—
r* —t—
1b,i
xb,i
Es
genügt somit,
bei einer
enden und der Mitte
zu
zu
um
Sie besteht
mm
aus
Dicke und
einer
trägt
•
die
Temperaturen
der Stab¬
mit Hilfe einer Eichkurve alle Wärmeblock¬
können.
Die
5
const
beliebigen Heizleistung
kennen,
temperaturen berechnen
=
Grundplatte
Antikorodalplatte
Messzylinder
die 20
von
2
MZ
von
m
Länge,
20
10
Höhe und 65
mm
cm
Breite und
mm
Durchmesser.
Die Messtechnik
Die
Messungen
dürfen erst dann
ausgeführt werden, wenn sich im Wärme¬
Temperaturgefälles eingestellt hat.
werden alle 20 Messgefässe gleichzeitig zugedeckt.
eine der Wärmeblocktemperatur entsprechende
stab der stationäre Zustand des
Durch Senken des Stabes
jedem Zylinder entsteht
Wasserdampfübersättigung, damit
In
chend aktiven Kondensationskerne
ein
Nebel,
an
dessen
Bildung
alle hinrei¬
beteiligt
Wassertröpfchen fallen im Schwerefeld innerhalb 1-2 s auf eine mit
Kopallack überzogene Glasplatte und bilden in der Lackschicht feine Löcher.
Die Anzahl der Löcher, die mit derjenigen der sedimentierten Tröpfchen über¬
einstimmt, wird nachträglich photoelektrisch ausgezählt [24].
Da, im Gegensatz zum Scholzschen Kernzähler, die Bodenfläche eine ge¬
ringere Temperatur besitzt als das eingeschlossene Luftvolumen, kondensiert
schon bei kleinsten Übersättigungen ein Teil des Wasserdampfes auf die Platte.
Wird der früher beschriebene [24] hochempfindliche Lack verwendet, so per¬
forieren auch jene feinen Wassertröpfchen die Lackhaut und fälschen derart
das Resultat. Werden jedoch der Lösung pro 10 cm3 Flüssigkeit 5 Tropfen
sind.
Die
rohes Leinöl zugesetzt,
von
mindestens
so
halten derart lackierte Platten einer
Übersättigung
1,2% stand, ohne dass der direkt kondensierte Wasserdampf
16
«
\\
Fremdlocher
»
verursacht
alter
Wieland
Die relativ grossen
Wassertropfchen
sationskerne vermögen jedoch die Lackschicht gut
eine Kontrolle unter dem Mikroskop zeigte
Messreihe
der Konden¬
durchlöchern,
wie
dies
Messungen
4. Die
1
zu
Untersuchungen
im
Freien
Der Messort, das Osservatono Ticmese m Locarno-Monti, ist dadurch ge¬
kennzeichnet, dass er sich am Nordhang eines ausgeprägten Talkessels befin¬
det, dessen Talsohle (200 m u M )
Hohe erreichen, eingerahmt ist
von
steilansteigenden Bergen,
die bis 2000
m
Entsprechend dieser eigenartigen Lage können wir fur die durch den Kessel
begrenzte Luftmasse im wesentlichen drei Falle unterscheiden
Nordfohnlage Saubere, m der Regel am Nordfuss der Alpen ausgeregnete
Luft
durchspult
das Tal
Lagen sind
gekennzeichnet
Diese
weiten und trockene Luft
Sudwindlage Feuchte,
Die geringen Sichtweiten
im
allgemeinen
warme, meist maritime
(zeitweise
unter 5
km)
Luft
durch grosse Sicht¬
dringt
m
das Tal
zeigen an, dass
sich
es
ein
um
«verunreinigte» Luftmassen handelt
Ruhelage
Es besteht keine nennenswerte
dieselbe Luft¬
Langsstromung,
bleibt fur einige Tage im Kessel eingeschlossen und ist nur der Eigen¬
zirkulation des Tales ausgesetzt Die Luft altert zusehends, und entsprechend
masse
nimmt die Sicht ab
Die
umliegende
Industrie Im Bereich der zustromenden Nordfohnluftmassen
befindet sich als einziges kleines Industriezentrum Bodio (Distanz 40
Die Südwinde überqueren die industriereiche Poebene mit den
zentren
m
Mailand und Turm
fur die starke
Verunreinigung
Dieses
ausgedehnte Industriegebiet
dieser Luftmassen verantwortlich
Im Sommer darf der Hausbrand
vernachlässigt
werden Bei
einzig die Betriebe
m
Locarno als
Obschon ihr Anteil
an
der Gesamtkernzahl gering ist,
andauernde Fabrikation
kernerzeugende
wird wohl
sein
Ruhelagen
Unternehmen
muss
km)
Haupt¬
zu
bei Windstille diese
Initialkernen
berücksichtigt werden
Messungen im Freien unter Berücksichtigung
zusammengestellt worden Dabei wurde beurteilt
von
In Tabelle 2 sind die
meteorologischen Daten
die Druckverteilung
aus
die Bodenwmde
aus
den
die Höhenwinde
aus
den
Lugano),
die Niederschlage
Monti,
aus
sind
erwähnen
der Bodenkarte des Osservatono
Windregistrierungen
Sondierungen von Mailand
der Bodenkarte und den
m
der
Ticmese,
Locarno Monti,
und
Agno (Flugplatz
Beobachtungen
m
Locarno-
bis
Algerien
Tief über
von
und sekun¬
Tief
und Italien
vien,
den
über
Danemark
Nordskandma-
Azoren
17 00
bis
Hochdruckrucken
8 8 55
von
nach
Mitteleuropa
Hochdruckkeil schwenkt
02 50
13 00
stosst
5 8 55
etwa
und
10
vor
Alpen
Süden
der
Frontdurchgang
gegen
längs
am
böig
zeitweise
N-Fohn
15 h
seit rund
Nordwinde
starke
auf W
mit
Alpen
Nord¬
der
am
Alpen
Nordabfall
Niederschlag
Nordstau
fuss der
abdiehend
Hohe
Abklingen
im
jedoch
am
schlag
mender
kein Nieder¬
witter)
tion
Sta¬
Schauer
der
(Fernge¬
Alpen
Nordfuss der
schlag
Nordfohn,
massiger
SEger
Wind
Gewitter
starker Nieder¬
13 41
massi¬
in
Alpengebiet
land,
im
über
zuneh¬
Gewitter
aus
aus
N
kalte
Meeresluft
alternde
Polarluft
Locarno-Monti
stationär
in
Polarluft
erwärmte
südwärts
schiebt sich
ver¬
Fest¬
Deutschland
landsluft
gealterte
Luftmassen
Messungen
Suddeutsch¬
bis
mit
auf W
Abdrehen
spateres
N-Wind,
auf SW
Abdrehen
nehmendes
zu¬
der
Hohe
mit
Hohe
Zeit der
Niederschlage
zur
schwacher
wind
nordrussischen Tiefs verlauft
eines
Oberitalien,
Kaltfront
ker Nord¬
mittelstar¬
Hoch
schwaches Sekundartief über
Atlantik,
Föhn
10 25
dem
ker
mittelstar¬
Boden
Tabelle 2
Verhaltnisse
Wuide
meteorologischen
4 8 55
über
däres Tief über der Adria
16 40
13
den
Boden
Skandinavien,
Hochdruckbrucke
Azoren
am
15 15
Druckverteilung
2 8 55
Mes ung
Zeit
Datum
9
7
5
Nr.
Die
Sc
0-1/10
Ac
0-1/10
Sc
3/10
Sc
3/10
Cb
9-10/10
Sicht
50
30
40
30
40
Bewölkung
25
35
42
53
45
S
o"-
°
22,1
17,2
23,8
23,0
20,4
lempratu
C
19 23
19
17 20
11 20
über
über
Boden
Atlantik,
am
dem
erteilung
flache
und
Druckverteilung
Sudeuropa
Mittel-
über Mittel- und
sehr
Westeuropa
Mittelmeer,
Ungarn, flache
Druckverteilung über dem
Hoch
Tief
19 05
Druck\
9 8 55
Mes ung
Zeit
Datum
17 12 8.55
16
15
Nr.
mm
Schauer
Station seit
NE-Winde
morgens
Schauer
schwache
über
vereinzelte
sehr
über Station
5
Schauer, seit
vereinzelte
SW-W ind
Morgen
über Station
E-Wind
m
am
auf 5000
Alpen
fuss der
Festlandsluft
Nord-
am
und
Feuchte Mischluft
fraglich
kalte Meeresluft
die
warme
Deutschland
Deutschland
verdrangt
über
Luftmassen
schauerartiger
Regen über
starker
SE
von
seit
Hohe
Niederschlage
der Tabelle 2
schwacher
sehr
sprung
N auf
Wind-
Föhn
Boden
Wi ide
Fortsetzung
Sc
10/10
Sc
10/10
Sc
0-1/10
Sc
0-1/10
Bewölkung
10
10
50
55
Sicht
90
85
27
27
tu
°C
16,8
16,9
19,1
20,0
Tempratu
Wasseidampfkondensation
die Luftmassen soweit
möglich
aus
an
19
naturlichem Aerosol
den monatlichen
Witterungsberichten
des Deutschen Wetterdienstes,
Bewölkung
die
Beobachtungen in Locarno-Monti,
Beobachtungen m Locarno-Monti. Diese
allerdings nur beschrankt gültig, da der nahe Horizont
aus
die Sicht ebenfalls
Angaben
sind
den
an
Hand der
die Blickweite auf maximal 25 km reduziert.
Feuchtigkeit und die Temperatur wurden an der Meßstelle gemessen.
jeder Messung wurde anschliessend eine Kontrollmessung durchge¬
führt, die nicht besonders angegeben ist, da die Werte gute Übereinstimmung
Die
Nach
zeigten.
Die gemessenen Kerndichten sind
Ubersattigungspromille aufgetragen.
aktiven Kerne ausfallen und nicht
zugeordneten,
in
Da
nur
den
in
Figuren 7 und 8
Messgefass
einem
die
einer
in
Funktion der
alle hinreichend
bestimmten
Übersättigung
werden die Kurven als Summenkurven bezeichnet.
K/cm3
10*
5
W
5
5
••
•
-
-
0
2
6
k
8
10
12
-U
%
0
2
U
I lgur 7
Summenkurven
massen
5, 13,
von
15
Aerosol ungestörter Luft
ausgesprochene Fohnlagen,
19 Mischluft
6
8
10
12
%
rigur8
Summenkur\cn
massen
17
von
Aerosol gestörter Luft
Regenschauer,
16
Windsprung
20
Walter Wh
2. Messreihe:
Untersuchungen
i and
in einem
abgeschlossenen
gut abgeschlossenes Zimmer
Als Messraum diente ein
Raum
mit
10 m3 Raum¬
inhalt.
Da Hausbrand oder Mottfeuer in der Nähe der Meßstelle die Untersuchun¬
gen im Freien beeinflussen
könnten, wurde im Versuchsraum mit einer Blind¬
zuerst die Kerndichte der Zimmerluft
probe
geraucht,
eine weitere
bestimmt, dann eine Zigarette
und nach
Messung ausgeführt
Figur
die dritte. Die gewonnenen Werte sind in
9
halbstündiger
zusammengefasst.
Wartezeit
In einer zweiten Meßserie wurde der Einfluss der relativen Feuchte der
Aussenluft auf das natürliche Aerosol untersucht. Wiederum wurde zuerst die
Kerndichte der Zimmerluft bestimmt und dann durch
Aufhängen
nasser
Tücher
K/cm3
t
5
S
i
103
1
I
I
»
oVersuch 24
10
l'igur
Summenkurve
probe
mit
von
reiner
8«%RF
»Versuch 27
89%RF
10
%o
12
Figur
9
Zimmeraerosol.
Zimmerluft;
Rauchen einer Zigarette;
68%Rf
Versuch 26
"
»versuch 23
0
Versuch 25
°
versuch 22
24
%
2J
22 Blind¬
nach
dem
Stunde spater.
Summenkurve
Verteilung
von
wird
12
»/«,
10
Zimmeraerosol. Die
durch die variable RF
der Zimmerluft nicht beemfmsst.
Wasserdampfkondensation
in zunehmendem Masse der
Feuchte
betrug
Kerndichten
bei den drei
zeigt Figur
an
21
natürlichem Aerosol
Wasserdampfgehalt der Luft erhöht. Die relative
Messungen 68%, 84% und 89%. Den Verlauf der
10.
5. Diskussion der Messresultate
Die Summenkurven
Bei der
Beurteilung
zu berücksichtigen, dass die ein¬
Punkteverteilung wiedergeben. In
seltenen Fällen wichen einzelne Messpunkte um mehr als 0,5°/00 RF von der
entsprechenden Kurve ab. Diese Werte wurden nicht berücksichtigt. Dicke¬
unterschiede des Lackes auf derselben Auffangplatte bewirken unterschiedliche
Empfindlichkeit gegenüber den fallenden Kondenströpfchen und zudem bei der
photoelektrischen Auszählung verschiedenartige Kontraste und somit stärkere
oder schwächere Zählimpulse. Unter diesen Umständen war es nicht möglich
zu entscheiden, ob diese extremen Abweichungen reell seien oder nicht.
Die Kurven der ungestörten Luftmassen verlaufen nahezu parallel und
scheinen sich der y-Achse asymptotisch anzuschmiegen. Das bedeutet jedoch,
dass unterhalb 100%, RF keine Kondenströpfchen ausgefällt werden können,
was mit der Definition in Einklang steht. Zugleich finden wir darin eine Be¬
stätigung, dass die zur Berechnung der Übersättigung angewandten Verein¬
fachungen zulässig sind.
Vergleichen wir die verschiedenen Kurven mit den meteorologischen An¬
gaben in Tabelle 2, so stellen wir fest :
Alle Summenkurven von Tagen mit starkem oder mittelstarkem Nordwind
(Föhn) befinden sich auf der rechten Hälfte der Kurvenschar. Mit zunehmender
Winddrehung auf Süden oder abnehmender Windstärke verschieben sich die
gezeichneten
von
Figur
7 und 8 ist
Kurven die Mittelwerte einer
Kurven nach links.
Die beiden Summenkurven
gestörter Luftmassen in Figur 8 zeigen einen
Verlauf, der scheinbar in keiner Weise mit
in
Verbindung gebracht
eines Schauers
demjenigen ungestörter
werden kann. Die Kurve
aufgenommen wurde, zeigt
17,
Regen
Beginn
Übersättigungen
gegen kleine
einen starken Abfall. Es scheint, dass der fallende
Luftmassen
die 5 min nach
die
zu
Zusammensetzung
des Aerosols beeinflusste. Die Messreihe 16, die 18 min nach dem extremsten
Föhnfall
sprung
aufgenommen wurde,
von
kann
nur
mit dem in
Zeit fallenden Wind¬
jene
N auf SE erklärt werden.
Die Summenkurven der
Messungen,
die in einem
abgeschlossenen
Räume
ausgeführt wurden, verlaufen im wesentlichen wie diejenigen in Figur 7. Die
Messwerte der Versuche 22, 23 und 24 mit Zimmerluft und Rauchaerosol
weichen nicht voneinander ab
(Figur 9).
Versuche 25, 26 und 27 mit variabler RF
Dasselbe trifft in
zu.
Es
folgt
also
:
Figur
10 für die
22
\\
1
Verlauf der Summenkurve
anfanglichen
verandern
zu
der näheren
2
IELANI)
Sehr junges und femes Aerosol vermag selbst nach Ablauf
Stunde den
nicht
\\
ALTLR
Beeinflussung
Eine
ist somit nicht
Umgebung
der
zu
eines
Messungen
einer
halben
naturlichen Aerosols
durch Hausbrand
in
erwarten
Die Summenkurve wird durch zunehmende Feuchte bis
90%
RF nicht
merklich beemflusst
Wasserdampfubersattigung
Die Summenkurven in Figur 7 erlauben
bildung notwendigen Übersättigung
In Tabelle 3 sind die
dichten
in
in
der
der
zur
verschiedenen Wolkenarten gemessenen
Wolkenart
Wolken¬
Tropfchen¬
L25J
1
ropfchenzahl/cm3
Stratokumulus
Kumulus
Unter der
\ltostratus
450
Stratus
260
^Nimbostratus
330
Kumulus
54-.
(2)
Annahme, dass sich
Kumuluswolke mit 1000
von
350
1000
(1)
in
Kondensationskern befindet ist bei
gung
Abschätzung
eine
zusammengestellt
J abUIe 3
einer
Atmosphäre
9,5°/oo notwendig,
l,8°/00 genügen
jedem Wolkentropfchen
einer
typischen
nur ein
Fohnluftmasse
zur
einziger
Bildung
Tropfchen pro Kubikzentimeter eine Übersätti¬
Mischluft, wie sie Kurve 19 charakteri¬
wahrend fur
siert, schon
Dichte Wolken sind
nommen
werden, dass
in
Fohnluft sehr selten
in
der
Atmosphäre
zu
eine
beobachten, also darf ange
relative Feuchte
von
101°/o
selten überschritten wird
Die
Um die Anzahl der bei
sationskerne
Diese wurde
erhalten,
zu
in
Figur
in
geben
nur
die
bestimmten
Übersättigung
ungestörten Luftmassen und
Übersattigungsmtervallen
Die Ordmatenwerte
Kurven
einer
aktiven Konden¬
ist die Differentiation der Summenkurve
11 fur die
gestörten Luftmassen
führt
Aktivitatsspektren
entsprechen
Verteilung
von
0,5
in
zu
notwendig
Figur 12 fur die
0,5°/00 durchge¬
somit nicht der genauen Kernzahl
wieder
Die
Wasserdampfkondensation
an
23
natürlichem Aerosol
K/cm3
Emh
"
7
0
10"J10
Figur
Aktivitatsspektren
Luftmassen.
von
11
Figur
Aerosol
ungestörter
Die beiden Abszissen
Übersattigungswerte
12%
und die
Wirkungsradien
geben die
entsprechenden
Aktiv
itatsspektren
massen.
Das
(Kurve 17)
von
12
Aerosol gestörter Luf t-
Aerosol
besitzt
eines
eine
Regenschauers
auffallende
Spitze.
wieder.
Aktivitätsspektren der ungestörten Luftmassen, so stel¬
fest, dass bei ausgesprochenen Föhnlagen die Kernzahl mit abnehmen¬
Betrachten wir die
len wir
der
Kondensationsfähigkeit zunimmt (Kurve 5 und 15). Mit zunehmender An¬
reicherung der Luftmassen mit aktivem Aerosol ändert sich der Charakter der
Spektren. Die Kerndichte nimmt anfänglich zu, erreicht ein Maximum, um
dann wieder abzunehmen. Das Zimmeraerosol in Figur 13 zeigt ein ähnliches
Verhalten. Auffallend ist der Verlauf der Kurve 17 in Figur 12, die einer ge¬
störten Luftmasse angehört. Sie zeigt eine nadelartige Spitze und nachher
einen eher flachen Verlauf.
Bevor nicht entschieden
chemische
gebend ist,
Zusammensetzung
ist, wie weit die Grösse der Kerne oder ihre
für den Verlauf der
können die verschiedenen Kurven nicht
Aktivitätsspektren mass¬
ausgewertet werden.
24
Walter Wieland
Einh.
Figur
Aktivitâtsspektrum
Die
von
Wirkungsradien
und das
Grössenverteilungsgesetz
An Hand der Wachstumskurven in
Der
lu
Zimmeraerosol. Differentiation der Summenkurve in
Figur
von
1 wird definiert
W.
Figur
10.
Jacobi (1)
:
Wirkungsradius
entspricht dem Radius
eines Wasser tropfchens, das mit jenem Wasserdampfdruck im Gleichgewicht
steht, der für die Scheitelpunktfeuchtigkeit des Lösungströpfchens notwendig
ist. (In Figur 1 sind die entsprechenden Punkte S und P).
Mit dieser Definition kommt zum Ausdruck, ob ein Kern Eigenschaften
rw eines Kondensationskernes
besitzt, die die Kondensation fördern oder nicht. Ist
so
r
der Radius des
können wir unterscheiden:
rw >
r:
Absorptions-
oder
Adsorptionskerne;
Wassertröpfchen ;
rw
r :
reine
rw <
r:
der Kern ist wasserabstossend.
Kernes,
Wasserdampfkondensation
Aus der
Übersättigung
im
entsprechende Wirkungsradius
Dabei sind
25
natürlichem Aerosol
kann mit Hilfe der
Messgefäss
2
Pr\
„( Pol
der
an
a
Beziehung
M
(4)
_
qRT*
rw berechnet werden.
:
Dampfdruck über der gekrümmten Tropfenoberfläche (Radius r)
pao Dampfdruck über der ebenen Wasseroberfläche;
a.
0,0020 t) dyn cm^1 ;
Oberflächenspannung bei t°C, 75,7 (1
M Molekulargewicht des Wassers (^ 38,02);
pr
;
-
R
Gaskonstante ;
q
Dichte des Wassers.
Für
geringe Übersättigungen, also Wassertropfendurchmesser grösser
Temperatur:
als
10~6 cm, ist bei einer festen
U=-
C
(f/-=0
U
^
Glcichgewichtsübersättigung)
.
Wir können somit in den
Abbildungen der Aktivitätsspektren an Stelle der
Übersättigungswerte
entsprechenden Wirkungsradien einsetzen. Als Bei¬
wurde
das
in
11
für eine Temperatur von 20°C ausgeführt.
spiel
Figur
Wird nun auf einem weiteren Blatt die Kerndichte in Funktion von log rw
aufgetragen, so kann in Analogie zum Grössenverteilungsgesetz (1) die Zunahme
die
der Kerndichte mit abnehmendem r,„ untersucht werden.
Für die ungestörten Luftmassen wurden in Tabelle 4 die Kontrollwerte für
das Gesetz
dN
C
dlogru
(5)
y
berechnet und nachstehend in Tabelle 4 zusammengestellt.
In der ersten Kolonne sind die Kurvennummern
eingetragen und in der
ersten Zeile die
Wirkungsradien.
Tabelle 4
Wirkungsradien
Kurven-Nr.
1,5
2
:i
1
r.
fi
7
H
!)
15
17
15
14
5
34
32
31
32
30
33
31
30
30
19
18
19
18
17
52
48
42
40
41
50
44
35
32
31
13
10
9
19
87
64
10
•
Kr"
cm
30
30
Für die Kurven 5, 13 und 10 ergibt die angenommene Gesetzmässigkeit
übereinstimmende Kontrollwerte. Die Kurven 9 und 19 gehorchen eher den
26
WAL
WlbLAND
1ER
Gleichungen
C
dN
~~
Wie
dN_
.
Un
_
r«»
d\ogrw
rflog^
C
,,,
_
'
"
rf;2
Figur 1 ersichtlich ist, stimmen selbst für sehr hygroskopische Sub¬
Wirkungsradius und Halbmesser des entsprechenden Lösungströpf¬
aus
stanzen
chens nahezu überein.
Die Grösse des
Lösungströpfchens im Scheitelpunkt der Wachstumskurve ist
hygroskopischen Kernes. Für einen kugeligen
bestimmt durch das Volumen des
Kern mit Radius
r
gilt
somit
:
ra
Setzen wir diesen Wert in den
C r3.
=
Gleichungen (5)
für die Kurven 5, 13 und 10:
und
(6) ein,
dN
,..
dN
,,
9:
C
...
;
—
7,
,
dlogr
lr>
fur 19:
rl
erhalten wir
C
—
,,
,
r3
dlogr
iur
so
dN
,,-
(7)
C
=
dlogr
-.
c
r1"
Aktivitätsspektren wird somit das gleiche Verteilungsgesetz gefunden,
Jacobi an Hand optischer Messungen für Mischkerne erhalten hat.
Daraus folgt : Aktivität und Grösse der Kerne verlaufen parallel.
Bei einer nachträglichen Überprüfung des Verteilungsgesetzes in Kitzbühel
(Frühling 1954) hat H. W. Georgii3) festgestellt, dass der Exponent von r
So fand er während eines starken Schnee¬
von der Wetterlage abhängig ist.
schauers einen Exponenten von 3,7 vor, bei kleinen Windstärken Werte von
Aus den
wie
es
W.
2,9 bis 3,1 und bei Windstille sogar 2,6.
Der Wert 3 darf also
grossen
nur
als Mittelwert betrachtet werden. Die überraschend
der Kurven 9 und 19 könnten mit der industriellen
Exponenten
verknüpft
keit in Locarno
Beurteilung
Der
Zusammenhang
der
Aktivitätsspektren
zwischen der
der Partikeln eines Mischkernaerosols
verschiedenen
Kondensationsfähigkeit
ermöglicht endlich die
und der Grösse
Diskussion der
Aktivitätsspektren.
Sofern wir als Initialkerne
senverteilung
nur
sehr feines Aerosol
zulassen, wird die Grös-
der Kondensationskerne im wesentlichen durch die
und die
Sedimentation gesteuert. Der
kann als
beschleunigte
Niederschlag
bevorzugt,
Koagulation
Kondenströpfchen
Bei der Koagulation
von
Sedimentation betrachtet werden.
werden die grossen Kerne
sie wachsen andauernd auf Kosten der
kleinen an, bis sie im Schwerefeld ausfallen. Sofern die Kerne nicht
am
Tätig¬
sein.
unipolar
3) Herr Dr. H. \V. Georgii, Universitatsmstitut fur Meteorologie und Geophysik in Frankfurt
Main, hat mir diese unveröffentlichten Werte in liebenswürdiger Weise zur Verfügung gestellt.
Wasserdampf kondensation
aufgeladen sind,
wird sich
jedes
an
27
natürlichem Aciosol
Aerosol im Laufe der Zeit
vergröbern.
Es sind
somit mehr grosse als kleine Kerne
vorhanden, sofern nicht eine genügend
starke
andauernd ersetzt.
Initialkernquelle den Verlust
beschleunigen diesen Vorgang.
a) Aktivitätsspektren
Die
holten
der
ungestörten Luftmassen
Föhnluftmassen verlieren beim Überqueren
Niederschlag die grossen Kerne. Gleichzeitig
kernarmer Luft
Grosse Kerndichten
der
Alpen
durch wieder¬
durchmischen sie sich mit
den höheren Schichten der
Atmosphäre; die Kerndichte
Wege nach Locarno nimmt die gereinigte Luft frische
Initialkerne auf. Die mitgeführte Initialkerndichte ist umgekehrt proportional
der Windgeschwindigkeit, sofern bei starken Winden vom aufgewirbelten
Aerosol abgesehen wird.
Die Aktivitätsspektren reproduzieren diese Vorgänge sehr deutlich:
Kurve 15: Nach l1/2tägiger Föhnperiode hält noch starker Nordwind an.
aus
wird kleiner. Auf dem
«
»
Die Massenkonzentration der Kerne pro Kubikzentimeter Luft ist
klein, das
Maximum der
Grössenverteilungskurve fällt ausserhalb des Messbereiches.
Kurve 5: Mittelstarker Föhn. Die Koagulation wurde durch die grössere
Anzahl Initialkerne beschleunigt, die Kurve verschiebt sich gegen grössere
Radien
zu.
Kurve 13:
Böiger Nordföhn. Der Einfluss der Initialkerne hat sich verstärkt,
Verteilungskurve liegt bereits innerhalb des Messbereiches.
Massiger Nordföhn ist im Abklingen begriffen. Nebst der Mög¬
das Maximum der
Kurve 10:
lichkeit,
in vermehrtem Masse Initialkerne
verlängerte Koagulationszeit
sols ist schon
Das eine
aufzunehmen, ist
berücksichtigen.
Die
nun
Vergröberung
auch
die
des Aero¬
ausgeprägt.
Beispiel
Entwicklung
zu
aus
einer stationären
Luftmasse (Kurve 9) zeigt
die normale
der «Föhnreihe». Das Maximum ist nicht besonders ausge¬
prägt, da die Fabrikbetriebe
von
Locarno laufend Initialkerne erzeugen.
Auffallend ist die Zunahme der grossen Mischkerne nach dem Vorstoss
maritimer Luftmassen (Kurve 19). Der Einfluss der ausgiebigen Initialkern¬
quellen
in der Poebene ist offensichtlich.
Ein
setti
Vergleich dieser Resultate mit den in
("26] ausgeführton lonenmessungen zeigt,
Locarno-Monti
wenn
auch
nur
von
grob,
F. Ambroden
paral¬
lelen Verlauf der Kerne und der Ionen. So ist in Föhnluft die Kleinionenzahl
1,5- bis 2mal grösser als das Mittel (Extremwert 3). Umgekehrt ist die Anzahl
der Gross- und Mittelionen in derselben Luftmasse 1,5- bis 4mal kleiner.
b) Aktivitätsspektren
Mischen sich zwei Luftmassen mit
resultierenden
der
gestörten Luftmassen
verschiedenartigem Aerosol, so muss im
Spektrum die Überlagerung der beiden ursprünglichen Aktivitäts-
28
\\
spektrcn
zum
\\
ILLAM)
Kurve 16 zeigt, wie
Verteilung gestört wird
Ausdruck kommen
Föhn auf SE die normale
von
\I TtR
durch
einen
Windsprung
Die Messung wurde 5 mm nach
Regenschauers ausgeführt Kernkoagu¬
Auffallend ist der Verlauf der Kurve 17
dem
Aufprallen
der ersten
lation allein wird wohl
Tropfen
eines
den seltensten Fallen
m
eine
derart hervorstechende
Spitze in der Grossenverteilungskurve zur Folge haben Um eine befriedigende
Erklärung zu finden, ist der Niederschlagsmechanismus zu berücksichtigen
Durch Kondensation von Wasserdampf an den aktivsten Kernen werden
die ersten Wolkentropfchen gebildet Die Koagulation zwischen den Wassertropfchen und den freien Kernen ist aber nach C Junge [1] wesentlich grosser
als die Eigenkoagulation der Kerne Die Kerndichte innerhalb der Wolke
nimmt somit ab, und die an die Tropfchen gebundenen Kerne vergrossern sich
Um aber einen grosstropfigen Niederschlag zu erhalten, sind mehrere Zusammenstosse zwischen den Wolkentropfchen notwendig Das fuhrt wiederum zu
einer betrachtlichen Vergrosserung der gebundenen Kerne
Je nach der relativen Feuchte der bodennahen Luftschicht verdunstet ein
Teil des nunmehr grosstropfigen Niederschlages, bevor er auf die Erdoberflache
aufprallt Zurück bleiben die durch drei verschiedene Koagulationsprozesse
stark angewachsenen Kerne Da sich die umgebende Luft durch die Verdun¬
stung abgekühlt hat, sinkt sie mit ihren Kernriesen zu Boden
Das Aktivitatsspektrum dieses Aerosols zeigt deshalb eine selektive Zu¬
nahme der grossen Kerne, wahrend die Anzahl der Kerne mit kleineren Radien
gering ist
Dieser
werden,
wenn
der
Kernvcrgrosserung
kann
in
der Natur
häufig
beobachtet
An Stelle
sich Schauerwolken ohne auszuregnen rasch auflosen
Tropfchenwolke
der
zu
Vorgang
ist bei
gunstiger Beleuchtung
eine
auffallende Dunstwolke
auf grosses Aerosol schliessen lasst
Diese wenigen Beispiele zeigen bereits, wie die Aktivitatsspektren der Kon¬
sehen,
was
densationskerne und die
miteinander
Die
verknüpft
mannigfaltigen Vorgange
in
der
Meteorologie
sehr eng
sind
Bedeutung der Kondensationskerne
maritimen
Ursprungs
ersichtlich, dass
Aus den Summenkurven und den
Aktivitatsspektren
Wolkenbildung über dem
Festland ohne Zuhilfenahme der Meer
die
inneren
salzkerne erklart werden kann
und
19) drang
nahme der
Nur
Mittelmeerluft bis
Bewölkung und
Feuchte und nicht
einem
in
zum
zwei
der diskutierten Falle
Messort
der anschliessende
vor
in
(Kurve
17
Die damit verbundene Zu¬
Niederschlag
besonders gearteten Aerosol
Das schliesst nicht aus, dass
ist
zu
ist der
zugefuhrten
verdanken
küstennahen Gebieten Meersalzkerne fur
Niederschlagsprozess von entscheidender Bedeutung sind Dies besonders,
wenn mangels ergiebiger Initialkernquellen die Entstehung grosser Mischkerne
den
Wasserdampfkondensation
an
29
natürlichem Aerosol
verunmoghcht wird. So haben G. Yamamoto und T. Ohtaka [27] festgestellt,
dass im gewohnlichen Nebel mehrheitlich Kernkonglomerate enthalten sind,
wahrend im tropfenden Nebel die Meersalzkerne überwiegen.
Zusammenfassung
Die geringe Anzahl der Messungen und der untersuchten
noch keine Verallgemeinerungen.
An Hand der
ten
Messungen
bestimmten
m einer
kann ruckblickend
bis
101%
2
Die
zu
RF
sem, die eine
erlauben
Zeitspanne in Locarno-Monti ausgefuhr
Problemstellung bemerkt werden
zur
1. Im bodennahen Freiluftaerosol scheinen
vorhanden
Ereignisse
immer
hinreichend aktive Kerne
Wasserdampfkondensation
Bereiche
im
von
100
ermöglichen.
Wolkenbildung wichtigen Kondensationskerne sind massgeblich
ausgezeichnet und lassen sich deshalb nicht von den übrigen
Aitken-Kernen trennen, sofern nicht eine Übersattigungsgrenze eingeführt
zur
durch ihre Grosse
wird.
3. Aktivität und Grosse der Kerne verlaufen
4. Besteht das Aerosol
nur
aus
parallel.
Mischkernen,
vorbereitender Prozess fur die anschliessende
so
ist die
Koagulation,
Kondensation
m
als
der Atmo¬
sphäre,
von grosser Bedeutung.
5. Meersalzkerne können die
sind aber nicht
notwendig,
Wasserdampfkondensation
wohl unterstutzen,
da hinreichend aktive Mischkerne vorhanden sind
vorliegenden Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungspro¬
«Eidg. Kommission zum Studium der Hagelbildung und der
Hagelabwehr» am Osservatono Ticmese in Locarno-Monti durchgeführt Der
Abteilung fur Landwirtschaft des EVD danke ich fur die zu dieser Arbeit be¬
Die
gramms der
notigten finanziellen Mittel. Dank gebührt Herrn Prof Dr. J. Ackeret, Herrn
Prof. Dr. R Sanger, Präsident der Kommission, Herrn Prof Dr P. Scherrer
und dem Leiter des Tessmer Instituts,
Interesse, das
sie
Herrn
J C. Thams,
Untersuchungen entgegenbrachten
diesen
fur das grosse
ANHANG
Kondensationskerne und
Es bleibt
Wolkenbildung
zeigen, dass die mit bodennahem Aerosol gefundenen
gelegene Luftschichten gültig sind Da fur die mittlere
Atmosphäre Angaben über die Grossenverteilung der Kondensationskerne fehlen,
wird ein direkter Vergleich mit den ausgeführten Messungen verunmoghcht.
Kann jedoch gezeigt werden, dass sich in jenen Hohen die gleichen Prozesse
nun
noch
zu
Resultate auch fur hoher
wiederholen,
so
müssen
auch die Resultate übereinstimmen
30
\\
Die
1
AI TFR
Bedeutung
der
WlEI
AND
Femperaturinversion
Atmosphäre besitzt keine eigentlichen Kernquellen, da die
aufsteigende, warme Luft hinaufgetragen werden
Ist diese Bewegung turbulent, so mischt sich kernreiche mit kernarmer Luft.
Ist der Aufstieg laminar, so mischen sich nur die Randzonen des Warmluft¬
paketes, hingegen haben besonders die kleinen Kerne genügend Zeit, um in den
«Aussenraum» zu diffundieren Beide Vorgange wirken somit kernvermmdernd
Mit der Kernabnahme ist eine verzögerte Koagulation verbunden Die Bildung
grosser Kerne wird fraglich, und entsprechend sind fur die Wasserdampfkonden¬
sation grosse Übersättigungen notwendig Dies ist bei einem normal geschich¬
teten Luftkorper mit einer Temperaturabnahme von 1°C pro 100 m Hohenzunahme der Fall, wie das beim aufsteigenden Rauchaerosol gut beobachtet werden
mittlere
Die
Schwebeteilchen durch die
kann
Das Verhalten der Kerne ändert
auf
eine
Temperaturinversion
sich, sobald die aufsteigende,
stosst
Die weitere Konvektion wird
warme
Luft
verhindert,
Sperrschicht aufgefangen Durch nachfolgende Luftpakete
nachgeschoben, so dass sich mit der Zeit die Kern¬
dichte unterhalb der Inversion vergrossert
Gleichzeitig wird die Koagulation
beschleunigt und die Bildung grosser Mischkerne ermöglicht Die Aktivität des
Aerosols gegenüber Wasserdampf nimmt zu Die Grossen Verteilung der Schwebeteilchen unterhalb der Sperrschicht wird durch die Anzahl und Grosse der nach¬
geschobenen Kondensationskerne, die Koagulation und die Lebensdauer der
Inversion gesteuert Analoge Vorgange sind fur das Wachstum des bodennahen
das Aerosol durch die
werden
immer
wieder Kerne
Aerosols verantwortlich
Es ist somit zulassig, die gewonnenen Resultate auf die
Atmosphäre zu übertragen
Aus diesen Betrachtungen folgt, dass auch, vom Standpunkt des Aerosols aus
betrachtet, der Temperaturinversion grosse, wenn nicht entscheidende Bedeu¬
tung zukommt Sie allem ermöglicht den aufsteigenden Kondensationskernen
die notwendige Vorbereitung auf den Kondensationsprozess hin
Inversionen sind beinahe alltäglich Sie entstehen nicht nur bei Warm- und
Kaltluftembruchen, sondern auch nachts durch die Abkühlung der bodennahen
mittlere
Luftschicht
aber nach
sie
der drei
Im letzten
Falle wird
zwar
sobald die Erdoberflache
Sonnenaufgang,
die
Konvektion
genügend
verhindert,
erwärmt
ist, kann
erneut einsetzen
Im Talkessel des
gut verfolgt
werden
dem Scholz-Zahler
Langensees
kann die
Die Verhaltnisse
Entstehung
der Dunstschicht
unterhalb der Dunstschicht
Die grossere
Ausdruck
in
Messreihe
15 000
Kerne/cm3,
45 000
Kerne/cm3,
30 000
Kerne/cm3
Kernkonzentration unterhalb der Inversion kommt deutlich
2
Sofern
eine
mit
gut wiedergegeben
oberhalb der Dunstschicht
in
der Dunstschichten sehr
werden auch durch
Die
der mittleren
der Schwebeteilchen
zu
zum
Wasserdampfkondensation
Atmosphäre
erwarten
sind,
wirklich ahnliche
wie
sie
Grossenverteilungen
fur bodennahes Aerosol gemessen
Wasserdampfkondensation
wurden,
müssen
auch die Summenkurven
Problem der Kondensation diskutieren
werte
zwei
analogen
emen
Verlauf zeigen
Um das
können, werden deshalb die Boden¬
zu
Hilfe genommen
zu
Die
31
natürlichem Aerosol
an
notwendige Wasserdampfubersattigung
der
in
Atmosphäre
kann durch
Prozesse erreicht werden
der adiabatische
die
Mischung
Aufstieg
zweier
eines
Luftpaketes,
Luflmassen
unter
geeigneten Bedingungen
Im vergangenen Jahrhundert wurde die 1784 von J Hutton aufgestellte
Mischwolkentheorie durch die von H Wettstein [28] angeregte und von J Hann
Adiabatentheone
ausgebaute
Mischprozesstheorie
waren
abgelost
Die
die freiwerdende
wichtigsten Einwände gegen die
Kondensationswarme, die ohne adia¬
batischen
Aufstieg nicht kompensiert werden konnte, und das damit verbundene
ergiebiger Niederschlage W v Bezold [29] hat darauf die verschie¬
denen Möglichkeiten von Mischungsvorgangen zweier Luftmassen ausgiebig dis¬
kutiert und ist zum Schluss gekommen, dass mindestens der Bodennebel und
die Schichtbewolkung nach der alten Theorie genügend erklart werden konnten
Es geht jedoch nicht darum, diese Streitfrage erneut aufzugreifen und die
Wolke als Ganzes zu betrachten Im Folgenden wird nur der erste Einsatz der
Kondensation am vorhandenen Aerosol diskutiert, also die Bildung der ersten
Kondenstropfchen
Ausbleiben
Dey adiabatische Prozess: Um die Kondensation durch
rein
adiabatische Ab¬
kühlung zu ermöglichen, ist das Aufsteigen eines in sich geschlossenen Luft¬
paketes notwendig Leider existieren über den Durchmesser dieser «Warmluft¬
ballone» nur wenige Angaben4)
Die gedachten Wände des aufsteigenden Luftvolumens können wohl jegliche
Mischung verhindern, Diffusion wird aber trotzdem stattfinden Es wird sich
somit vom Zentrum bis zur Randzone ein Wasserdampfdruckgefalle einstellen,
dessen Starke einerseits durch die Feuchte des umgebenden Raumes und ander¬
seits durch die zunehmende RF des aufsteigenden Paketes bestimmt ist Die Diffusionsgleichung
(d*p , d*p
àp
d*p\
,,
\
_
dt
ist mit der
Differentialgleichung
dlogl
d\ogpj
zu
verbinden
àx*
'
dy*
dz2 !
der Kondensationsadiabaten
R
c„ 4
y
r m
mj 1
dFJT dl
Dabei sind
pL Luftdruck,
spezifische
Kondensationswarme pro Gramm Wasser,
m
Mischungsverhältnis Wasserdampf/trockene Luft,
E(T) Sättigungsdruck des Wasserdampfes
L
=
Dadurch entsteht
4)
Warme trockener Luft,
Cj,
r
Nach
Aussagen
eine
von
mehr betragen, doch bleibt
geschlossenes
I
uftpaket
neue
Adiabatengleichung,
Segelfliegern
immer
lnndelt
kann der Durchmesser
ungpwiss, ob
e^
sich
um
die
in
einen
zeitabhängig
wird
seltenen l<allen bis 300
m
Konxektionsschlauch oder
und
em
32
\\
AiTLK
Wieland
komplizierte Rechnung zu umgehen, soll das Problem an Hand vor¬
Beobachtungen studiert werden
Nach M Diem [25] schwankt der Flussigwasser-Gehalt einer Wolke je nach
Art zwischen 0,09 und 0,87 g/m3 Dieser kondensierte Wasserdampf muss durch
den adiabatischen Prozess vorgangig freigemacht werden
Aus der zu erwartenden Menge Kondenswasser kann fur die verschiedenen
Wolkenarten die notwendige Abkühlung der aufsteigenden Luft berechnet wer¬
den Die Rechnungen wurden fur die Basistemperaturen 10°C und 0°C ausge¬
führt Dabei wurde angenommen, dass die Luftmassen zu Beginn des Aufstieges
Neben den in Tabelle 5 zusammengestellten
mit Wasserdampf gesattigt sind
Werten fur die Abkühlung ist noch die Zeit eingetragen, die das Luftpaket fur
den Abkuhlungsvorgang benotigt Dabei wurde fur alle Wolkenarten mit einer
Steiggeschwindigkeit von 2 m/s und einer Temperaturabnahme von 0,6° C pro
100 m Steighohe gerechnet
Um die
handener
fabellt. 5
Gehalt
\\ olk( nart
g
Sc
As
0,29
0,40
0,87
St
Ns
(2)
10
C
Basistemperatur
0°C
l
1
C
*s
0 10
13
0,56
46
0,49
0,51
0,70
41
-1 55
129
0,09
0,32
0,28
Cu(l)
Cu
Basisttniperatur
an
Hussig Wassi
—
42
58
1
UC
is
-0,24
0,87
0,76
-0,79
1,13
63
2,52
210
—
—
—
—
20
72
66
84
Rechnung zugrunde gelegte Steiggeschwindigkeit trifft im gunstigsten
(1) zu tur Cu (2) ist sie maximal zehnmal grosser und m allen
anderen Fallen wesentlich kleiner Die Werte sind somit, ausgenommen diejeni¬
gen fur den Cu (2), fur den Adiabaten-Prozess sehr gunstig berechnet, und trotz¬
dem sind die notwendigen Steigzeiten beachtlich gross Wird zudem die Diffusion
des Wasserdampfes in den Aussenrauni berücksichtigt, werden die Steigzeiten
um ein Vielfaches
grosser Es ist fraglich, ob dann noch eine Übersättigung
möglich ist
Um die Grossenordnung der Diffusion eimgermassen abschätzen zu können,
sei hier ein kleines Experiment beschrieben
Wird der Kondensationskernzahler von J Scholz im Bruchteil einer Se
künde expandiert, so bildet sich im Rezipienten eine dichte Tropfchenwolke Bei
einer Expansionsdauer von 30 s kann keine Nebelbildung beobachtet werden, da
in dieser Zeit der überschüssige Wasserdampf fortwahrend an die Gefasswande
Die der
Fall fur den Cu
diffundiert und keine hinreichende
Übersättigung
zustande kommt
Diesem
Experiment kann entgegengehalten werden, dass das Versuchsvolu¬
Doch ist anderseits zu berücksichtigen, dass die Über¬
men zu klein gewählt ist
sättigung im Scholz-Zahler, bei rasch ausgeführter Expansion, mindestens hun¬
dertmal grosser ist als diejenige, die in der Atmosphäre möglich ist
Es soll
nun
die
Wasserdampfkondensation
an
die Kerne untersucht werden
Dabei wird angenommen, dass noch keine Wolke existiere und das betrachtete
Volumen aufsteigender Luft als erstes die Möglichkeit besitze, Wasserdampf
Wasserdampfkondensation
abzugeben
Das
mitgefuhrte
Aerosol
zeige
an
33
natürlichem Aerosol
eine
Grossen Verteilung
analog
den
Summenkurven fur ungestörte Luftmassen
In dem
aufsteigenden Luftpaket werden die aktivsten Kerne in einem be¬
Augenblick, bei hinreichender Übersättigung, als Kondensationszen¬
wirken, und die ersten Tropfchen entstehen Angenommen, es seien im
stimmten
tren
Mittel
10 pro Kubikzentimeter Um eine Kumuluswolke zu bilden, sind aber
gegen 1000 Tropfchen pro Kubikzentimeter notwendig Aus den Summenkurven
der Bodenwerte folgt, dass hierfür im gunstigsten Falle eine weitere Übersättigung
von
mindestens
Es ist
Kerne
2°/00
erforderlich ist
Dazu ist bei
maximalen
Aufstiegs¬
notwendig.
deshalb nicht anzunehmen, dass der überschüssige Wasserdampf an neue
diffundiert, sondern weiterhin an die bereits gebildeten Tropfchen kon¬
geschwindigkeit
von 2
m/s
eine
Kondensationszeit
einer
von
mindestens 2
s
densiert
Das
oben
Vergleich
zu
beschriebene
Experiment
Hilfe genommen werden
mit
dem
Scholz-Zahler
darf
hier
Die Gefasswande stellen die bereits
als
vor¬
handenen
Tropfchen dar Obschon sie eine wesentlich höhere Temperatur besitzen
expandierte Luft, nehmen sie bei langer Kondensationszeit allen frei¬
werdenden Wasserdampf auf
Wenn auch eventuell durch rem adiabatische Vorgange einige Kondenstropfchen entstehen konnten, ist trotzdem schwierig zu erklaren, wie die in den
Wolken beobachtete Zahl der Tropfchen entstehen sollte Der Vorgang ist zu
langsam
Der Mischprozess Unter diesem Abschnitt werden alle Vorgange zusammengefasst, bei welchen zwei Luftpakete mit verschiedener Temperatur und ver¬
schiedenem Dampfdruck einander berühren Der eine Extremfall ist die vollstandige Mischung und der andere die Berührung entlang einer Grenzzone Im
2 Kapitel wurde bereits gezeigt, dass die zweite Möglichkeit, ein reiner Diffusionsprozess, beinahe dieselben Resultate zeigt wie die Durchmischung
Drei Merkmale zeichnen diese Vorgange aus
a) Bei genügend grosser Temperaturdifferenz der beiden Luftmassen kann die
Mischluft auch dann übersättigt sein, wenn die beiden Komponenten ur¬
sprünglich nicht mit Wasserdampf gesattigt waren Das folgt aus den Figuren
als die
•
2 und 3
b)
An den Randzonen verlauft der
Mischprozess
so
rasch
wie
die Kondensation
die Kerne, das zeigen die beschriebenen Experimente
Neben dem Aktivitatsspektrum des Aerosols entscheidet der
an
c)
Dampfdruck und
Temperatur der beiden Luftmassen über die Anzahl sich bildender Kondenstropfchen
Nachteilig fur diese Vorgange ist die geringe Menge freiwerdenden Wasser¬
dampfes, so dass keine grossen Tropfchen entstehen können
Die Kombination von Mischprozess mit adiabatischem Aufstieg Bei der Gegen¬
überstellung der beiden Vorgange zeigt sich, dass zur Einleitung der Kondensation
eher der Mischprozess in Frage kommt Da er nicht auf die Sättigung der beiden
die
angewiesen ist, eilt er dem adiabatischen Prozess voraus Ist die
Kondensation eingeleitet, so wird, dank der freiwerdenden Kondensations warme,
Luftmassen
so dass in dieser Phase Mischung und adiabatischer
Aufstieg einander gegenseitig unterstutzen und die Bildung grosserer Wolken¬
tropf chen ermöglichen In Tabelle 6 sind die beiden Vorgange entsprechend ihrer
Bedeutung zusammengestellt
Es soll nun kurz überprüft werden, ob die Angaben in Tabelle 6 den Vor¬
die Konvektion verstärkt,
gangen
in
der Natur
entsprechen
34
Walter Wieland
Tabelle 6
Zeitlicher Ablauf
1
Prozess
Vorgang
Zeitablauf
adiabatischer
langsam
bis 100
Vorkondensation
schnell
über 100
Kondensation
ungefähr 100
Vergrosserung
RF%
Ereignis
Aufstieg
2
Prozess
Mischung
3
Prozess
adiabatischer
langsam
Aufstieg
bis
der Kondens-
und
schnell
tropfchen
Die
Mischung
Schichtbewolkung
vorwiegend durch Mischung an der Grenz
Temperaturdifferenz ist in der Regel gering Nach
Tabelle 6 sind nur kleine Tropfchen zu erwarten, da der 3 Prozess wegfallt
Bei der Quellbewolkung vergrossert die aufsteigende Warmluft die Temperatur¬
differenz zwischen den sich mischenden Luftmassen Turbulenz beschleunigt die
Mischung Entsprechend der grosseren Übersättigung sind viele KondenstropfSchicht
chen
zu
zweier
entsteht
Luftmassen Die
erwarten
Der dritte Prozess ist fur diese Wolkenart charakteristisch
sich somit ]e nach
kentropfchen bilden
müssen
In Tabelle 7 sind die
zu
Aufstieggeschwindigkeit mittelgrosse
erwartenden Werte den
Es
bis grosse Wol
Beobachtungen
von
M Diem
gegenübergestellt
Tabelle 7
Wolkengruppe
Tropfchenzahl
je
Schicht¬
cm1
klein
Flussigwasser
gehalt
Tropfchenzahl
klein
260-450
0 28
0 29
mittel bis
545-1000
0 32
0,87
je
cm3
Flussigwasser
gehalt g/m3
bewolkung
Quell¬
bewolkung
mittel bis
gross
entsprechend
Die
gross
Tabelle 6
nach M Diem
Übereinstimmung ist befriedigend Es ist jedoch zu erwarten, dass bei
Temperaturdifferenzen und geeignetem Aerosol auch der Misch
zu grossen Tropfchendichten fuhren kann
Dies konnte der Fall sein,
sehr grossen
prozess
kalte,
feuchte Luft über eine warme Wasserflache wegstreicht
Betrachtungen über die Bedeutung der Temperaturinversion und die
Kondensation hegt vorderhand ein schwaches Fundament zugrunde, auch wenn
verschiedene Tatsachen zugunsten der Überlegungen erwähnt werden können
Entscheiden werden die noch auszuführenden Messungen
wenn
Den
Vor allem
1
2
3
über
ware
zu
untersuchen
längere Zeit das Verhalten des bodennahen Aerosols,
die Hohenabhangigkeit des Aerosols und der Emfluss der Temperaturinversion,
die Aufstieggeschwmdigkeit und die Grosse der Warmluftpakete bei wolken¬
losem Himmel, um den Emfluss der Wasserdampfdiffusion berechnen zu
können
Wasserdampfkondensation
an
35
naturlichem Aerosol
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Wiss
Bezold,
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Zur
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Thermodynamik
der
Atmosphäre,
Sitz -Ber
preuss Akad
LEBENSLAUF
Am 20.
1924 wurde ich in Zürich
Januar
geboren
und besuchte dort die
Primär- und Sekundärschule. 1939 trat ich in die Oberrealschule Zürich ein
und bestand die
ich
Physik
an
schloss mit dem
Maturitätsprüfung
der
Eidgenössischen
Diplom
licher Mitarbeiter der
bildung
in
und der
wo
Jahre
1944. Von 1945 bis 1950 studierte
Technischen Hochschule in Zürich und
ab. Seit dem Herbst 1950 arbeite ich als wissenschaft¬
Eidgenössischen
Hagelabwehr
Locarno-Monti,
im
die
an
der
vorliegende
Kommission
zum
Forschungsstelle
Studium der
Hagel¬
des Osservatorio Ticinese
Arbeit entstanden ist.