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The influence of various parameters on the generation of snow crystals in an artificial cloud

Helmut Schabschneider

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Armin Fuith

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29294.17222.401759-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Innerhalb des an der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) angesiedelten SNOW Projektes wurde eine neue Methode zur Kunstschneeerzeugung unter Laborbedingungen untersucht. Im Gegensatz zu konventionellen Methoden, die vorwiegend gefrorene Tropfen erzeugen, war hier das Ziel, die Schneeentstehung in der Atmosphäre mittels einer künstlichen Wolke zu simulieren. Die Forschungstätigkeiten für die vorliegende Diplomarbeit wurden im Rahmen dieses Projektes durchgeführt, wobei der Fokus bei der Untersuchung der Abhängigkeit der Schneekristalleigenschaften von der Wolkentemperatur, der Wasserversorgung und der Realisierung von Letzterem lag. Die Grundannahme bezüglich der Wasserversorgung der wachsenden Kristalle war, dass in der Wolke, die von Ultraschallzerstäubern erzeugt wird, durch die hohe Tröpfchenzahldichte und die Tröpfchengröße die umgebende Luft bezüglich einer ebenen Wasseroberfläche gesättigt ist, und dass das thermodynamische Gleichgewicht sich in einer Zeit einstellt die kurz ist verglichen mit der Aufenthaltszeit der wachsenden Kristalle in der Wolke. Unter dieser Annahme führt eine bestimmte Wolkentemperatur immer zu einem bestimmten Wasserdampfdruck und deshalb zu einer bestimmten Übersättigung gegenüber Eis, und der Kristall wächst aus dem Dampf der von den flüssigen Wolkentröpfchen übergeht (BERGERON- FINDEISEN - Prozess). Um diese Annahme zu bestätigen war das Ziel der vorliegenden Arbeit bei gegebenen Temperaturen höhere Wasserdampfdrücke als Sättigung bezüglich der ebenen Wasserfläche zu erreichen und die resultierenden Schneekristalle mit bei derselben Temperatur in einer Tröpfchenwolke gewachsenen zu vergleichen. Dafür wurde der in die Wolkenkammer fließende Luftstrom zur Befeuchtung tangential an einer ebenen Wasseroberfläche vorbeigeführt. Nach dem Eintritt in die Wolkenkammer kühlt die feuchte Luft auf fast Umgebungstemperatur ab und unter der Annahme, dass die Luft im Kältelabor nicht zu viele Kondensationskeime bereitstellt, bleibt das Wasser in der Dampfphase, was höhere Wasserdampfdrücke als bei den Experimenten mit der Tröpfchenwolke zur Folge hätte. Durch zahlreiche Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen und mit unterschiedlichen Tröpfchenzahldichten konnte die Abhängigkeit der Primärform von Schneekristallen von der Temperatur klar bestätigt werden, und es konnte auch gezeigt werden dass die Tröpfchenzahldichte der Wolke keinen signifikanten Einfluss auf die Kristallform hat. Es gibt außerdem Hinweise, dass die Schneekristalle unter den gegebenen Umständen hauptsächlich bei Wasserdampfdrücken zwischen Eis- und Wassersättigung wachsen, wobei die Kristalle während ihres Wachstums variablen Sättigungen ausgesetzt sind.

Abstract

(Englisch)

Within the SNOW project that is based at the University of Natural Resources and Life Sciences (BOKU) Vienna, a new technique of producing manmade snow has been examined under laboratory conditions. In contrast to conventional techniques that produce mainly frozen droplets, here it was the goal to simulate the process of snow formation in the atmosphere via an artificial cloud. The research for this thesis has been conducted within the project, whereupon the focus was on finding out about the dependence of the snow crystal properties on the cloud temperature, the water supply and the realisation of the latter. The common assumption concerning the water supply of the growing crystals was that in the cloud that is produced by water atomisers, given the high density of the fog and the droplet size, the air surrounding the nuclei and the droplets would be saturated with respect to a flat water surface, and that thermodynamical equilibrium would be reached within a time that is negligible compared to the residence time of a growing snow crystal in the cloud. Therefore, a certain cloud temperature would always lead to a certain water vapour pressure and hence a certain supersaturation with respect to ice, and the crystal would grow out of the water vapour transferred from the liquid drops (BERGERON- FINDEISEN - process). In order to validate that assumption, the goal of the work in hand was to reach higher water vapour pressures at given temperature than the saturation pressure with respect to flat water and compare the resulting snow crystals with the ones grown in a cloud at the same temperature but consisting of drops. Therefore, the air stream entering the Cloud Chamber was loaded with vapour by letting it flow tangentially over a flat water surface. After entering the Cloud Chamber, the moist air cooled down to almost ambient temperature and assuming the air in the Cold Lab does not provide too many condensation nuclei, the water would stay in the gas phase, resulting in higher vapour pressures than at the experiments conducted with the atomisers. Through a number of experiments at varying temperature and droplet density, the dependence of the evolving primary crystal habit on the cloud temperature could be clearly confirmed, and it could as well be shown that the water drop density of the cloud does not have distinct influence on the crystal shape. There is some evidence that under the given circumstances the snow crystals do grow at vapour pressures between ice saturation and water saturation mainly, whereby the crystals experience varying saturations in the course of its growth.

Autor*innen

Helmut Schabschneider

Haupttitel (Englisch)

The influence of various parameters on the generation of snow crystals in an artificial cloud

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

118 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Armin Fuith

Klassifikation

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik

AC Nummer

AC10847964

Utheses ID

24724

Studienkennzahl

UA | 411 | | |

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