The UNAM-droplet freezing assay: An evaluation of the ice nucleating capacity of the sea-surface microlayer and surface mixed layer in tropical and subpolar waters

Abstract

ABSTRACT Ice nucleating particles (INPs) in the atmosphere are necessary to generate ice crystals in mixed-phase clouds, a crucial component for precipitation development. The sources and composition of INPs are varied: from mineral dust derived from continental erosion to bioaerosols resulting from bubble bursting at the ocean surface. The performance of a home-built droplet freezing assay (DFA) device for quantifying the ice nucleating abilities of water samples via immersion freezing has been validated against both published results and analyses of samples from sea surface microlayer (SML) and bulk surface water (BSW) from the Gulf of Mexico (GoM) and Saanich Inlet, off Vancouver Island (VI), Canada. Even in the absence of phytoplankton blooms, all the samples contained INPs at moderate concentrations, ranging from 6.0 × 101 to 1.1 × 105 L-1 water. The freezing temperatures (i.e., T50, the temperature at which 50% of the droplets freeze) of the samples decreased in order of VI SML > GoM BSW > GoM SML, indicating that the higher-latitude coastal waters have a greater potential to initiate cloud formation and precipitation.

Translated abstract

RESUMEN Los núcleos de glaciación (INP, por su sigla en inglés) presentes en la atmósfera intervienen en la formación de cristales de hielo, los cuales son indispensables para el desarrollo de precipitación en nubes mixtas. Las fuentes y la composición de los INP son muy variadas: desde el polvo mineral derivado de la erosión de los suelos en los continentes hasta el bioaerosol emitido en la superficie del océano. El dispositivo denominado ensayo de congelación de gotas (DFA) se construyó recientemente para cuantificar la eficiencia de nucleación de hielo en muestras líquidas mediante la congelación por inmersión. Su funcionamiento se validó comparando los resultados con reportes en la literatura y con los análisis de muestras de la microcapa superficial del océano (SML) y de muestras obtenidas a 1 m de profundidad (BSW) en el Golfo de México (GoM) y en Saanich, frente a la Isla de Vancouver (VI), Canadá. Todas las muestras analizadas contenían INP en concentraciones moderadas, entre 6.0 × 101 y 1.1 × 105 L-1 de agua, incluso en ausencia de floraciones de fitoplancton. Se estimó la temperatura a la cual se congela el 50% de las gotas (T50) en cada una de las muestras. El valor de T50 fue mayor en muestras de VI SML, seguido por muestras del GoM BSW y del GoM SML, lo que indica que las aguas costeras en latitudes altas tienen un mayor potencial para iniciar la formación de nubes y precipitación.