ISSN:
1436-5065
Source:
Springer Online Journal Archives 1860-2000
Topics:
Geography
,
Physics
Description / Table of Contents:
Summary The supercooling of water which is found most frequently in clouds, as well as the mechanism of action of freezing nuclei were investigated in the laboratory. The spectrum of freezing nuclei was found to have maxima at −4, −11 to −12 and −19°C. Alterations of the investigation conditions influence only the height but not the temperature of the maxima. Also an artificial influence on the spectrum is possible, and it has the same effect. The fact that small droplets can be supercooled to lower temperatures (in the 3rd maximum) is proved to be merely a statistical volume-effect. Aqueous solutions show the spectrum of freezing nuclei displaced by the lowering of the freezing point. These results and the ascertained general validity of the spectrum of freezing nuclei lead to its interpretation by changes of the structure of water itself, which are determined by temperature. They explain the fact that the formation of atmospheric precipitation prefers the same regions of temperature whereas none of the hitherto existing precipitation theories can do that. The content of freezing nuclei in water is determined, and it is shown that these early active nuclei are also present, in a sufficient number, in the natural aerosol. The contents of freezing nuclei found in various air masses show a great variation: polar air masses contain many and very early active freezing nuclei; these are nearly entirely absent in subtropical air masses. Thence it is concluded that these freezing nuclei are of maritime origin. Between −40° and −50°C, according to the investigated air mass, the mixed cloud, consisting of crystals and droplets, freezes entirely, following an increase of the number of ice particles which takes place somewhat earlier. Freezing nuclei participate in this process, again, their number being of the order of 200/cm3. The strong increase of the number of ice nuclei which is characteristic for the homogeneous formation of particles, takes place only if the temperature approaches −70°C. The cubic modification of ice formed at this temperature is proved by further observations. Finally, we mention the formation of ice particles bare of nuclei by dielectric polarisation which can be caused at slight supercooling. It explains the mechanical release of freezing, a process which should also occur in the atmosphere.
Abstract:
Résumé L'eau surfondue, un état très fréquent dans les nuages, et la manière dont les noyeaux glaçogènes agissent pour former de la glace ont été l'objet de recherches au laboratoire. Au cours de ces expériences, le spectre des noyaux glaçogènes montrait des maxima aux températures de −4, −11 à −12 et −19°C. Des changements dans les conditions expérimentales n'influencent que la hauteur mais pas les températures des maxima. Une influence artificielle sur le spectre est possible et se mainifeste dans le même sens. Le fait que des gouttelettes plus petites peuvent être surfondues à des températures plus basses, fut décelé comme n'étant qu'un effet statistique causé par le volume. Les solutions aqueuses montrent aussi le spectre des noyeaux glaçogènes, mais le spectre y est déplacé par l'abaissement du point de cristallisation. Ces résultats et la validité commune du spectre des noyaux glaçogènes impliquent l'explication de ce spectre par les changements de la structure de l'eau elle-même par la température. Ils expliquent aussi la préférence des mêmes températures lors de la formation des précipitations atmosphériques, ce qu'aucune théorie à ce sujet n'a pu faire jusqu'ici. En mesurant le contenu de l'eau en noyaux glaçogènes on trouve que l'aérosol naturel contient aussi un nombre suffisant de ces noyaux à effet précoce. Dans les diverses masses d'air, le contenu en noyaux glaçogènes est très différent: les masses d'air polaires en contiennent un grand nombre à effect très précoce, dans les masses d'air subtropicales ces noyaux manquent presque complètement. Il s'en suit que ces noyaux glaçogènes sont très probablement d'origine maritime. Entre −40 et −50°C, suivant l'origine de la masse d'air en question, les nuages mixtes, composés de cristaux de glace et de gouttelettes d'eau, gèlent complètement après augmentation préalable du nombre des particules de glace, à laquelle participent de nouveau des noyaux glaçogènes à raison d'environ 200 par cm3. L'augmentation intensive du nombre des particules de glace, caractéristique pour la formation homogène, ne commence qu'en s'approchant de −70°C; de nouvelles observations confirment qu'à cette température se forme une modification cubique de la glace. L'auteur discute encore la formation de la glace par la polarisation diélectrique qui se fait sans noyaux. Elle produit des germes de glace à des températures peu inférieures à 0°C, explique les nucléations mécaniques et doit aussi exister dans l'atmosphère.
Notes:
Zusammenfassung Die in den Wolken stark verbreitete Unterkühlbarkeit des Wassers sowie die Wirkungsweise der Gefrierkerne wurden im Laboratorium untersucht. Dabei wurden im Gefrierkernspektrum Maxima bei −4, −11 bis −12 und −19°C gefunden. Änderungen der Untersuchungsbedingungen beeinflussen nur die Höhe, nicht aber die Temperatur der Maxima. Auch eine künstliche Beeinflussung des Spektrums ist möglich und äußert sich in gleichem Sinne. Die Stärkere Unterkühlbarkeit kleiner Tropfen (im 3. Maximum) wird als rein statistischer Volumeneffekt erkannt. Wäßrige Lösungen zeigen das Gefrierkernspektrum um die Gefrierpunktserniedrigung verschoben. Diese Ergebnisse sowie die nachgewiesene allgemeine Gültigkeit des Gefrierkernspektrums führen zu dessen Deutung durch temperaturbedingte Strukturänderungen des Wassers; sie erklären die deutlich erkannte Bevorzugung derselben Temperaturbereiche bei der atmosphärischen Niederschlagsbildung, was keine der bisherigen Niederschlagstheorien vermag. Der Gefrierkerngehalt des Wassers wird bestimmt und es wird nachgewiesen, daß diese früh wirkenden Kerne auch im natürlichen Aerosol in genügender Anzahl vorhanden sind. In den verschiedenen Luftmassen werden sehr unterschiedliche Gefrierkerngehalte festgestellt: polare Luftmassen enthalten viele und sehr früh wirkende Gefrierkerne, in rein subtropischen Luftmassen fehlen diese nahezu vollständig. Daraus ist auf maritimen Ursprung dieser Gefrierkerne zu schließen. Zwischen −40° und −50°C, je nach erfaßter Luftmasse, vereist die Mischwolke ganz, nach einem schon früher einsetzenden Anstieg der Eisteilchenzahl. Dabei sind wieder Gefrierkerne beteiligt, und zwar etwa 200 per cm3. Der für die homogene Keimbildung charakteristische starke Anstieg der Eisteilchenzahl tritt erst bei Annäherung an −70°C auf. Die hier gebildete kubische Modifikation des Eises wird durch neue Beobachtungen belegt. Schließlich wird noch die kernfreie Eiskeimbildung durch dielektrische Polarisation erwähnt, welche bei geringer Unterkühlung ausgelöst werden kann, die mechanischen Gefrierauslösungen erklärt und auch in der Atmosphäre vorkommen muß.
Type of Medium:
Electronic Resource
URL:
http://dx.doi.org/10.1007/BF02247279
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