In Mischphasenwolken kann Eis wachsen, obwohl flüssige Tröpfchen gleichzeitig verdunsten.

Unterkühltes Wasser und Eis können in derselben Wolke koexistieren.

Flüssige Wolkentröpfchen gefrieren nicht automatisch bei 0 °C. In realen Wolken kann unterkühltes flüssiges Wasser bis weit unter den Gefrierpunkt bestehen. Gleichzeitig können Eiskristalle vorhanden sein, wenn geeignete Eisnukleationsprozesse stattgefunden haben.

Der Bergeron-Findeisen-Prozess setzt genau diese Koexistenz voraus. Ohne vorhandene Eisphase gibt es trotz unterschiedlicher Wasser- und Eissättigungskurven keinen Dampfpfad, der bevorzugt Eiskristalle wachsen lässt.

Unter 0 °C ist der Sättigungsdampfdruck über Eis kleiner.

Wie bereits in M3K4 gilt für dieselbe negative Temperatur

Das liegt an den unterschiedlichen chemischen Potentialen der festen und flüssigen Phase. In M8K4 verwenden wir dieselben Buck-Näherungen wie im Feuchtemodul, damit die Mikroanalyse exakt an die frühere Thermodynamik anschließt.

Zwischen e_si und e_sw reagieren Eis und Wasser entgegengesetzt.

Für einen aktuellen Dampfdruck e gilt im klassischen Fenster:

Dann ist die relative Feuchte gegenüber Eis größer als 100 %, während sie gegenüber Wasser kleiner als 100 % ist. Wasserdampf deponiert auf Eiskristallen; flüssige Tröpfchen befinden sich dagegen in einer untersättigten Umgebung und können verdunsten.

Bei Wassersättigung e=e_sw sind flüssige Tröpfchen näherungsweise im Gleichgewicht, aber Eis bleibt wegen e_sw>e_si übersättigt. Verbraucht Eis Wasserdampf, muss Verdunstung flüssiger Tröpfchen Dampf nachliefern, wenn die Umgebung nahe Wassersättigung bleiben soll.

Dieselbe Luft hat gleichzeitig zwei verschiedene relative Feuchten.

Weil e_si<e_sw, ist RH_i unter 0 °C stets größer als RH_w für denselben Dampfdruck. Die Schwelle zur Eissättigung, ausgedrückt als relative Feuchte gegenüber Wasser, lautet

Liegt RH_w zwischen RH_w,ice und 100 %, befindet sich die Mischphase im Bergeron-Findeisen-Fenster.

Mit sinkender Temperatur trennen sich die beiden Sättigungskurven stärker.

Nahe 0 °C unterscheiden sich e_sw und e_si nur wenig. Bei tieferen Temperaturen wächst ihre relative Differenz. Dadurch kann die Übersättigung gegenüber Eis bei Wassersättigung erheblich werden.

Das allein bedeutet jedoch nicht, dass der Prozess bei beliebig tiefen Temperaturen immer effizienter wird. Eiskristallzahl, Kristallhabitus, Diffusions- und Wärmeleitungswiderstände, Ventilation sowie die Verfügbarkeit unterkühlten Flüssigwassers bestimmen die tatsächliche Wachstumsrate. Unter etwa −38 °C wird außerdem homogene Gefrierung flüssiger Tröpfchen zunehmend relevant, sodass die Annahme einer langlebigen Mischphase schwächer wird.

Wasser- und Eissättigung, Dampfdruck und Phasenanwesenheit gemeinsam diagnostizieren.

Das Lab verwendet exakt die Buck-Sättigungsfunktionen aus M3K4. Temperatur und RH_w setzen den aktuellen Dampfdruck; der Gesamtdruck verändert nicht die Sättigungsdampfdrucke selbst, sondern die zugehörige Differenz der spezifischen Feuchten. Der Schalter „Eisphase“ macht sichtbar, dass die thermodynamische Triebkraft allein noch keinen Bergeron-Findeisen-Prozess erzeugt.

Die Sättigungsdifferenz liefert eine Triebkraft, aber noch keine Wachstumsrate.

Die Differenz e_sw−e_si beziehungsweise q_sw−q_si beschreibt, wie verschieden die beiden Gleichgewichtszustände sind. Eine reale Depositionsrate eines Eiskristalls hängt zusätzlich von Kristallgröße und -form, Diffusion, Wärmeabfuhr, Oberflächenkinetik und Ventilation ab.

Deshalb berechnet das Lab bewusst keine scheinpräzise Zeit bis zu einer bestimmten Kristallgröße. M8K6 behandelt später die Formen und Wachstumswege von Schnee und Eis; M8K5 betrachtet zuvor den warmen Regenweg über Kollision und Koaleszenz.

„Eis saugt Wasser aus Tropfen“ ist nur eine Kurzform.

Der Transport erfolgt über die Dampfphase. Ein Eiskristall nimmt nicht direkt Flüssigwasser aus entfernten Tröpfchen auf. Er senkt lokal den Dampfdruck, weil Wasserdampf auf seiner Oberfläche deponiert. Sind die Tröpfchen gleichzeitig gegenüber ihrer Wasseroberfläche untersättigt, verdunsten sie und speisen das Dampfreservoir nach.

Ebenso reicht eine negative Temperatur allein nicht aus. Ohne Eisnukleation oder vorhandene Eiskristalle bleibt die Wolke unter Umständen lange rein flüssig und unterkühlt. Der Prozess ist daher eine Kopplung aus Thermodynamik, Phasenverfügbarkeit und Transport.

Bergeron-Findeisen ist ein Gleichgewichtsgefälle zwischen zwei Oberflächenarten.

Cross-References