A preliminary theoretical analysis of a modified membrane filter technique to detect ice-forming nuclei in a thermal diffusion chamber

A preliminary mathematical analysis of a membrane filter technique for estimating the population of Å-sized ice-forming nuclei is presented. The technique consists of drawing an aerosol sample through a membrane filter and then exposing the surface of the filter to controlled conditions of temperature and water vapor supersaturation in a dynamic chamber. The number of ice crystals which form on the filter is related in sometimes subtle ways to the concentration of ice forming nuclei in the aerosol sample. In order to enhance experimental control of supersaturation during filter development, condensation nuclei are also deposited on the filter.Mathematical models are constructed for the deposition of aerosol particles on membrane filters, evolution of the water vapor field in the dynamic chamber, growth of solitary ice crystals on membrane filters, and the competition in populations of ice crystals for water vapor. Special emphasis is placed on the role of static electricity in the deposition of aerosol particles, and the role of condensation nuclei on the production of ice crystals.

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Zusammenfassung Es wird eine vorläufige mathematische Analyse einer Membran-Filter-Technik gegeben für die Abschätzung der eiserzeugenden Kern-Bevölkerung der Å-Größe. Die Technik besteht darin, daß ein Aerosol-Muster durch ein Membran-Filter gezogen wird, wonach die Filter-Oberfläche in einer dynamischen Diffusionskammer kontrollierten Verhältnissen der Temperatur und der Wasser-Übersättigung ausgesetzt wird. Die Zahl der Eiskristalle, die sich am Filter bilden, ist abhängig (oft in subtiler Weise) von der Zahl der Kerne im Aerosol. Um die experimentelle Kontrolle der Übersättigung während der Entwicklung des Filters zu verbessern, werden auch Kondensationskerne im Filter deponiert.Es werden mathematische Modelle konstruiert für die Ablagerung von Aerosol-Teilchen an Membran-Filtern, für die Entwicklung des Wasserdampf-Feldes in der dynamischen Kammer, für das Wachstum von einzelnen Eiskristallen an Membran-Filtern, und für die Affinität von Wasserdampf zu Kristallgruppen. Besondere Aufmerksamkeit wird der Rolle statischer Elektrizität in der Ablagerung von Aerosolen auf Membranfiltern und dem Einfluß von Kondensationskernen auf die Eiskristallbildung gewidmet.