29.01.2024 I Winzige Partikel wie Eiskristalle oder Aschepartikel neigen zu Pendelbewegungen, während sie durch die Atmosphäre herabsinken. In neuen experimentellen Beobachtungen konnten Wissenschaftler:innen Partikel mit einer Größe von weniger als 1 Millimeter mit bisher unerreichter Genauigkeit verfolgen und daraus ein Modell entwickeln, das Vorhersagen über Luftschadstoffe oder Wettervorhersagen verbessern kann.

Die Atmosphäre enthält viele winzige feste Partikel. Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) und der Universität Göttingen untersuchten in Zusammenarbeit mit dem französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und der Universität Göteburg, Schweden, wie sich solche nicht-kugelförmigen Partikel in der Luft bewegen.

Partikel in die Luft injizieren

Dazu verwendeten sie eine neue Präzisionsapparatur, die mit mehreren Hochgeschwindigkeitskameras und einem neuartigen Mechanismus zur Injektion von Partikeln ausgestattet ist. Mit einem 3D-Drucker erzeugten sie Partikel mit verschiedenen Formen, wie z.B. Scheiben mit einer Dicke von bis zu 50 Mikrometern und Stäbchen mit einer Länge von bis zu 880 Mikrometern. Mit Hilfe dieser Technologien konnten sie beobachten, dass die Partikel zu oszillierenden Bewegungen neigen, wenn sie in ruhiger Luft zu Boden schweben.

„Bisher wurden die meisten Studien über das Verhalten solch kleiner Partikel mit Modellen in Flüssigkeiten durchgeführt, da Experimente in Luft extrem schwierig sind“, beschreibt Mohsen Bagheri, Gruppenleiter am MPI-DS, bisherige Ansätze. „Die tatsächliche Dynamik konnte auf diese Weise jedoch nicht erforscht werden. In unserem Experiment konnten wir diese nun direkt beobachten, indem wir die Bewegung von Partikeln realer Größe, die viel schwerer sind als das umgebende Medium, gemessen haben“, fährt er fort.

Die beobachtete Oszillation hat möglicherweise einen Einfluss auf den Zusammenstoß einzelner Teilchen, ihre Wegstrecke in der Atmosphäre und ihre Wechselwirkung mit der Sonnenstrahlung.

Modell zur Beschreibung und Vorhersage

Atmosphärische Teilchen sind in der Regel nicht perfekt kugelförmig, sondern eher abgeflachte oder längliche Strukturen. Die Wissenschaftler:innen entwickelten und testeten ebenfalls ein Modell zur Beschreibung und Vorhersage der Bewegung solcher Teilchen, das die experimentellen Ergebnisse sehr genau wiedergibt. Das neue Modell kann verwendet werden, um die Dynamik und die Bildung von Partikelclustern und die daraus resultierenden Auswirkungen im Alltag zu untersuchen.

„Unsere Ergebnisse können zur Verbesserung der Vorhersagen, wie lange sich Schadstoffe in der Atmosphäre aufhalten oder wie Niederschläge in Wolken entstehen, beitragen“, fasst Alain Pumir, zusammen. Der CNRS-Wissenschaftler hat das Modell gemeinsam mit seinen Kollegen Bernhard Mehlig und Kristian Gustavsson entwickelt.
Insgesamt ermöglichen die neuen Erkenntnisse der Studie ein genaueres Verständnis der atmosphärischen Partikel und ihrer Auswirkungen auf unsere Umwelt und unser Klima.