Sättigung macht Kondensation möglich — Keimbildung entscheidet, ob sie tatsächlich einsetzt.

Thermodynamische Begünstigung ist noch keine Garantie für sofortige Tropfenbildung.

M3K7 markierte mit dem Taupunkt den Zustand, bei dem e = e_sw(T) erreicht wird. Wird die Luft weiter abgekühlt oder Wasserdampf zugeführt, kann e die ebene Sättigungsgrenze übersteigen. Dann ist Kondensation thermodynamisch begünstigt.

Für die tatsächliche Bildung eines neuen flüssigen Tropfens muss jedoch zusätzlich eine Keimbildungsbarriere überwunden werden. Genau diese Barriere erklärt, warum in der Atmosphäre Aerosolpartikel als Kondensationskeime so wichtig sind.

Reine Wasserkeime sind bei kleinen atmosphärischen Übersättigungen schwer stabil zu halten.

Bei homogener Nukleation müsste ein flüssiger Keim ausschließlich aus Wassermolekülen entstehen. Sehr kleine Tröpfchen besitzen wegen ihrer starken Krümmung einen erhöhten Gleichgewichtsdampfdruck und verdampfen daher leicht wieder.

Bei heterogener Nukleation kondensiert Wasser auf einem vorhandenen Aerosolpartikel. Hygroskopische Bestandteile lösen sich teilweise im Wasser und senken dessen Wasseraktivität. Dadurch kann ein Partikel bereits bei viel kleineren Übersättigungen wachsen.

Krümmung erhöht den Gleichgewichtsdampfdruck kleiner Tropfen.

Für einen reinen kugelförmigen Wassertropfen mit Durchmesser D lautet der Kelvin-Term:

Je kleiner D ist, desto größer wird der erforderliche Sättigungsquotient. Der Effekt verschwindet für große Tropfen asymptotisch. Ein nanometergroßer reiner Wasserkeim benötigt deshalb eine deutlich größere Übersättigung als ein bereits mikrometergroßer Tropfen.

Krümmung und gelöster Stoff wirken gegeneinander.

Die κ-Köhler-Theorie fasst die hygroskopische Wirkung eines trockenen Aerosolkerns mit dem Parameter κ zusammen. Für einen trockenen Kerndurchmesser D_d und einen feuchten Tropfendurchmesser D ergibt sich näherungsweise:

Der erste Faktor beschreibt die Absenkung der Wasseraktivität durch gelöste Stoffe, der Exponentialterm den Kelvin-Effekt. Die resultierende Köhler-Kurve besitzt ein Maximum. Wird die Umgebungsübersättigung größer als dieses Maximum, ist der Partikel aktiviert und kann zu einem Wolkentröpfchen weiterwachsen.

Partikelgröße, Hygroskopizität und Übersättigung bestimmen die Aktivierung.

Das Lab verwendet eine idealisierte κ-Köhler-Kurve. Es berechnet die kritische Übersättigung s_c, den kritischen Feuchtdurchmesser D_c und vergleicht beides mit der vorgegebenen Umgebungsübersättigung. Die Oberflächenspannung wird für den didaktischen Bereich mit σ = 0,072 N/m angenähert.

Nach der Aktivierung begrenzen Diffusion und Wärmeabfuhr das Tropfenwachstum.

Ein aktiviertes Tröpfchen wächst nicht unbegrenzt schnell. Wasserdampf muss zur Oberfläche diffundieren, während die bei der Kondensation frei werdende latente Wärme abgeführt werden muss. Für ein vereinfachtes diffusionsbegrenztes Wachstum kann geschrieben werden:

Mit dem Tropfenradius a kann das vereinfachte Wachstum als a·da/dt = G(T,p)(S−1) geschrieben werden. Weil a im Produkt auftritt, wächst der Radius eines größeren Tropfens bei gleicher Übersättigung zunehmend langsamer. Die exakte Wolkenmikrophysik wird in späteren Modulen weiter vertieft.

Nicht jedes Aerosol ist gleich wirksam.

Die Aktivierung hängt sowohl von der Partikelgröße als auch von der chemischen Zusammensetzung ab. Hygroskopische Salze besitzen typischerweise größere κ-Werte und aktivieren leichter als schwach hygroskopische organische oder nahezu hydrophobe Partikel. Für eine gegebene Übersättigung wird daher nur ein Teil des Aerosolspektrums tatsächlich zu Wolkentröpfchen.

Damit verbindet M3K8 Thermodynamik mit Aerosolphysik: Die Zahl der aktivierten Tröpfchen ist nicht allein durch RH bestimmt, sondern durch das Zusammenspiel von Übersättigung und Kondensationskeim-Spektrum.

Vier zentrale Abgrenzungen.

Kondensation ist Sättigung plus Keimbildung plus Transport.

Cross-References