Nicht jedes Aerosolpartikel wird bei Wolkenbasis zu einem Wolkentröpfchen.
Condensation Nuclei (CN) bezeichnet die vorhandene Aerosolpopulation allgemein. Cloud Condensation Nuclei (CCN) sind die Teilmenge, die bei einer konkreten Umgebungsübersättigung aktivierbar ist. Ein Partikel kann daher bei schwacher Übersättigung subkritisch bleiben und bei stärkerer Übersättigung zum CCN werden.
Die CCN-Eigenschaft ist somit kein unveränderliches Etikett des Partikels. Sie entsteht aus dem Zusammenspiel von trockenem Partikeldurchmesser, chemischer Hygroskopizität, Temperatur und der maximal erreichten Übersättigung in der aufsteigenden Luft.
Größere und stärker hygroskopische Partikel benötigen typischerweise weniger Übersättigung zur Aktivierung.
Die hygroskopische Wirkung fassen wir mit dem dimensionslosen κ-Parameter zusammen. Typische atmosphärische Aerosole besitzen keinen universellen κ-Wert: organische, mineralische, salzhaltige und gealterte Mischpartikel können deutlich unterschiedliche Wasseraufnahme zeigen.
Für die vereinfachte κ-Köhler-Näherung gilt: Bei gleichem κ sinkt die kritische Übersättigung stark mit wachsendem trockenem Durchmesser. Bei gleichem Durchmesser sinkt sie mit zunehmender Hygroskopizität.
Hier ist sc als dimensionslose Übersättigung definiert. Im Lab wird sie für die Anzeige in Prozent umgerechnet.
Eine vorgegebene Übersättigung definiert einen kritischen trockenen Durchmesser.
Die Einzelpartikelbeziehung aus M3K8 lässt sich umstellen. Bei homogener κ-Annahme wird ein Partikel aktiviert, wenn sein trockener Durchmesser mindestens
beträgt. Partikel rechts dieser Schwelle im Größenspektrum sind im reduzierten Modell aktiviert; kleinere Partikel bleiben subkritisch. Das ist die Brücke vom Einzelpartikel zur Population.
Die Formel ist eine analytische Kleinübersättigungs-Näherung der κ-Köhler-Theorie. Für detaillierte Einzelpartikelkurven bleibt M3K8 die Referenz.
Eine Aerosolpopulation liefert kein einzelnes „CCN ja/nein“, sondern eine Aktivierungskurve NCCN(s).
Das Lab beschreibt die trockene Partikelzahl mit einer lognormalen Größenverteilung. Der geometrische Median Dg legt das Zentrum fest, die geometrische Standardabweichung σg ihre Breite. Für eine einheitliche Hygroskopizität κ ist der aktivierte Zahlenanteil die Fläche der Verteilung oberhalb Dd,crit.
Quellen verändern Größe und Zusammensetzung — aber Quelltyp allein bestimmt die Aktivierung nicht.
Meersalz ist häufig stark hygroskopisch, während frische organische oder rußreiche Partikel deutlich schwächer wasseranziehend sein können. Mineralstaub, Sulfat, Nitrat und gealterte Mischpartikel erweitern das Spektrum. Während Transport und Alterung verändern Kondensation, Koagulation und chemische Verarbeitung sowohl Größe als auch Hygroskopizität.
Darum verwendet M8K2 keinen festen „maritim = gut / kontinental = schlecht“-Schalter. Entscheidend bleiben die im Modell expliziten Größen Dg, σg, κ und die verfügbare Übersättigung.
Wie viele Partikel einer lognormalen Aerosolpopulation werden bei gegebener Übersättigung aktiviert?
Das Lab koppelt die analytische κ-Köhler-Näherung an eine lognormale Anzahlverteilung. Es zeigt gleichzeitig die trockene Größenverteilung, den kritischen Durchmesser und das resultierende CCN-Spektrum über der Übersättigung.
Die aktivierte Anzahl liefert die Ausgangszahl für die Tröpfchenpopulation — aber noch nicht deren spätere Größenverteilung.
Mehr aktivierte CCN bedeuten unter sonst gleichen Bedingungen zunächst mehr embryonale Wolkentröpfchen. Wie schnell diese durch Kondensation wachsen und wie sich eine reale Tröpfchengrößenverteilung entwickelt, hängt zusätzlich von Aufwind, Wasserdampfangebot, Konkurrenz um Wasserdampf, Mischung und Kollisionen ab.
M8K3 setzt deshalb bei der aktivierten Population an und behandelt Wolkentröpfchen, Flüssigwassergehalt und Größenentwicklung separat.
Das Populationsmodell ist bewusst enger als eine reale Aerosol- und Wolkenbasisdiagnose.
Das Lab nimmt eine einzige lognormale Größenmode und einen einheitlichen κ-Wert für alle Partikel an. Reale Aerosole können mehrere Moden, interne und externe Mischungszustände sowie größenabhängige Zusammensetzung besitzen. Außerdem wird die Umgebungsübersättigung vorgegeben statt aus Aufwind, Kondensationssenke und Dynamik prognostiziert.
CCN sind außerdem nicht mit Ice Nucleating Particles (INP) gleichzusetzen. INP steuern heterogene Eisbildung bei unterkühlten Temperaturen und werden im Zusammenhang mit Eisprozessen später relevant.
CCN-Aktivierung verbindet Aerosolphysik mit der Zahl neu entstehender Wolkentröpfchen.
CCN sind die bei gegebener Übersättigung aktivierbare Teilmenge der Aerosolpopulation.
Größere trockene Partikel besitzen bei gleichem κ eine niedrigere Aktivierungsschwelle.
Höhere Hygroskopizität erleichtert die Aktivierung.
NCCN(s) steigt mit der Übersättigung, weil die kritische Mindestgröße sinkt.
Eine Größenverteilung wird über die Fläche oberhalb Dd,crit in eine Aktivierungsfraktion übersetzt.
Aktivierte CCN sind Startpunkte der Wolkentröpfchenpopulation von M8K3.
Cross-References
Wie wachsen aktivierte CCN zu einer Tröpfchenpopulation, und wie hängen Tröpfchenzahl, Flüssigwasser und mittlere Größe zusammen?