Decay of aerosols in small and very small vessels and a static method for determining the size of condensation nuclei

Summary

Recently in meteorology the tendency becomes apparent to seek information on the size of the condensation nuclei and their nature as well as their concentration. Experiments with this aim were made byG. Hentschel in 1954 using the «selective filling method» already applied byE. Effenberger. It is claimed that the numerical characteristic of the sample — the sum of the percentage losses between successive counts of nuclei — which he uses enables one to ascertain the «sizecharacter» of the aerosol in addition to its concentration and to discriminate between man-made and natural influences on aerosols.Hentschel gives no quantitative relationship between his characteristic and size of nuclei nor has he attempted to establish one.

An analysis shows that the «selective filling method» is in reality the endeavour to determine the size of the nuclei from their changing concentration when stored in a miniature container. Since the well established law of disappearance of stored nuclei is fully described by two coefficients of an ordinary differential equation of first order and first degree, it is inadvisable to introduce a new numerical characteristic for the description of the decay process.

The problem is reduced to the question whether from the decreasing concentration or from the two coefficients of the decay law or one of them the size of the nuclei can be deduced when they are stored in a closed vessel. This new procedure is called thestatic method for determining the size and mass of condensation nuclei.

The coefficient of the linear term in the differential equation which expresses loss by diffusion and sedimentation has been chosen as the more suitable one, assuming that the experimental conditions are arranged in such a way that coagulation of the nuclei can be neglected.

The theory for the static method has been developed byR. Fürth, London. Preliminary experimental tests are very encouraging. Agreement between the diffusion coefficients (sizes of nuclei) obtained by the static and theJ. J. Nolan & V. H. Guerrini (dynamic) method is very good indeed. — As an additional result during the present investigation it came to light that the coefficient of the linear term in the decay law is not a constant but depends on time.

The advantages of the static method for investigating the atmospheric aerosol, particularly during aeroplane ascents and flights are as follows: Utilising standard equipment it is possible to determine: (i) from two measurements of concentration the size of the nuclei, (ii) from three measurements of concentration the size, density and mass of the nuclei, (iii) a sequence of instantaneous values of size, density and mass of nuclei in contradistinction to the dynamic method which gives only averages covering periods of ten up to thirty minutes.

Zusammenfassung

In jüngster Zeit macht sich in der Meteorologie die Tendenz bemerkbar, ausser der Zahl der Kondensationskerne auch ihre Grösse und Art zu bestimmen. Experimente zu diesem Zwecke wurden vonG. Hentschel im Mai 1954 beschrieben. Er benützt die «selektive Füllmethode», welche bereits mehr als ein Jahrzehnt vorher vonE. Effenberger am Collmberg vergleichsweise angewendet wurde. Als numerische Charakteristik der zu untersuchenden Luft wähltHentschel die Kernverlustsumme (in Prozenten), welche aus den Kernverlusten von Teilmessung zu Teilmessung während der selektiven Füllung berechnet wird. Er behauptet, dass diese Kernverlustsumme ein geeigneter Indikator für den Schwerpunkt der Kerngrösse im jeweiligen Aerosol ist und dass mit drei Gesamtmessungen der selektiven Füllmethode mit einer Messdauer von rund 24 Minuten «die Gewähr für einen gesicherten Befund über Menge und Grössencharakter des Aerosols geboten» wird.Hentschel beschliesst seine Ausführungen mit der Feststellung, dass einer praktischen Verwendung der Methode zur Erkennung anthropogeuer und nicht-anthropogener Einflüsse im Aerosolgeschehen nichts im Wege steht. Er gibt jedoch keine quantitative Beziehung zwischen seiner Charakteristik und der Kerngrösse, noch versucht er eine solche aufzustellen.

Eine nähere Betrachtung zeigt, dass die selektive Füllmethode in der vorgeschlagenen Form die Grösse der Kondensationskerne aus der abnehmenden Kernzahl zu ermitteln versucht, wenn die Luftprobe in einem sehr kleinen Gefäss gespeichert wird. Das Gesetz des Verschwindens von Kondensationskernen, welche in einem geschlossenen Behälter gespeichert werden, ist wohl bekannt und wird völlig beschrieben durch zwei Koeffizienten einer gewöhnlichen linearen Differentialgleichung erster Ordnung und ersten Grades; es ist daher nicht empfehlenswert, die Kernverlustsumme als neue numerische Charakteristik für die Beschreibung des Schwundes von gespeicherten Kondensationskernen einzuführen.

Das Problem, welches sich darbietet, reduziert sich daher auf die Frage, ob aus der abnehmenden Konzentration oder aus den zwei Koeffizienten des Schwundgesetzes oder einem derselben die Grösse der Kondensationskerne abgeleitet werden kann, wenn sie in einem geschlossenen Gefäss sich selbst überlassen werden. Dieses neue Verfahren sollstatische Methode der Bestimmung der Grösse und Masse der Kondensationskerne genannt werden.

Von den zwei zur Verfügung stehenden Koeffizienten wurde jener des linearen Gliedes der Differentialgleichung, der den Verlust durch Diffusion und Sedimentation ausdrückt, als der geeignetere gewählt, und vorausgesetzt, dass die experimentellen Bedingungen so eingerichtet werden, dass die Koagulation der Kerne vernachlässigt werden kann.

Die Theorie der statischen Methode wurde vonR. Fürth, London entwickelt. Die experimentelle Prüfung der Methode ist sehr ermutigend. Die Diffusions-Koeffizienten (und die aus ihnen abgeleiteten Kerngrössen), welche mittels der statischen und dynamischen Methode (nachJ. J. Nolan & V. H. Guerrini) erhalten wurden, stimmen sehr gut überein. — Als zusätzliches Resultat wurde während der gegenwärtigen Untersuchung gefunden, dass der Koeffizient des linearen Gliedes in der Differentialgleichung des Kernschwundes in einem geschlossenen Behälter keine Konstante ist, sondern von der Speicherzeit abhängt.

Die Vorteile der statischen Methode für die Erforschung des atmosphärischen Aerosols, besonders während Flugzeugaufstiegen und Flügen, sind die folgenden: Mit der normalen Ausrüstung für die Messung der Kernzahl ist es möglich: (i) aus zwei Messungen der Konzeutration die Grösse der Kondensationskerne, (ii) aus drei Messungen der Konzentration die Grösse, Dichte und Masse der Kondensationskerne zu bestimmen, und (iii) eine Aufeinanderfolge von Augenblickswerten der Grösse, Dichte und Masse der Kerne zu erhalten, während die dynamische Methode nur Mittelwerte über zehn oder dreissig Minuten liefert.