Kondensasjonskjerne

Kondensasjonskjerner er små partikler (typisk 0,0002 mm eller 1/100 av størrelsen til en skydråpe) som vanndamp kan kondensere på. Vanndamp kondenserer mye lettere når man har kondensasjonskjerner i atmosfæren. Uten kondensasjonkjerner kan vanndamp som blir underkjølt til under 0°C kondensere til ørsmå vanndråpar, og i temperaturer over frysepunktet må luften overmettes til rundt 400 % før dråper blir dannet. For å få dannet skyer og nedbør så raskt som de oppstår i atmosfæren, må man altså ha kondensasjonskjerner.

Aerosolforrureining over Nord-India og Bangladesh - NASA.

Størrelse, mengde og oppbygning

En typisk regndråpe er rundt 2 mm i diameter, en typisk skydråpe er rundt 0,02 mm, og en typisk skykondensasjonskjerne (aerosol) er i størrelsesorden 0,0001 mm (0,1 mikrometer) eller større i diameter. Tallet på kondensasjonskjerner i luften kan måles og er vanligvis mellom 100 og 1000 per kubikkcentimeter. Den totale massen av skykondensasjonskjerner som går opp i atmosfæren hvert år er estimert til omtrent 2x10¹² kg. Store mengder av disse partiklene fører til dis i område med lavere fukt. Denne tørre disen har også en effekt på klima ved enten å absorbere eller reflektere stråling (se albedo).

Det finnes mange forskjellige typer atmosfæriske partikler som vanndamp kan kondensere på. Partiklene kan være støv, leire, sot eller svart karbon fra gress- eller skogbranner, sjøsalt, sot fra industriutslipp, eksos fra trafikk, sulfat fra vulkansk aktivitet, planteplankton eller oksidering av svoveldioksid og andre organiske materialer. I tillegg kan de kjemiske partiklene blande seg med andre partikler (særlig sulfat og organisk karbon). Noen partikler (som sot og mineraler) er ikke så gode som kondensasjonskjerner, men fungerer bra som iskjerner i de kaldere delene av atmosfæren.

Tallet på kondensasjonskjerner og hva de er laget av kan påvirke både strålingsegenskapene og levetida til skyer, og dermed ha en innvirkning på klimaendringer. Detaljene rundt dette er derimot noe vi ikke helt forstår ennå, og blir fortsatt forsket på.

Iskjerner

Iskjerner er partikler som kan danne iskrystaller i atmosfæren, og gjør det mulig for is å bli dannet ved rundt −10°C. Uten iskjernene måtte en hatt −40°C før det ble dannet is. Det er mange prosesser i atmosfæren som kan danne ispartikler. Den enkleste er når vanndamp sublimerer direkte på faste partikler. Når man har iskjerner kan det også føre til at underkjølt vann fryser når de kommer i kontakt med partiklene.

Ispartikler kan spille en viktig rolle i skydynamikk, og er kjent for å ha en viktig rolle i å elektrifisere skyene, som så kan føre til lyn. De er også viktige i danning av regndråper.

Det er mange forskjellige partikler i atmosfæren som kan bli iskjerner, både naturlig og menneskeskapte. Disse inkluderer mineraler, sot, organisk materiale og sulfat. Det er derimot stor forskjell mellom de forskjellige stoffene på hvor effektivt is kan oppstå på dem under forskjellige atmosfæriske forhold. Vi kjenner lite til fordelingen av disse partiklene, hvor stor rolle de spiller for det globale klimaet og om menneskelig aktivitet eventuelt har endret på disse effektene.

Kondensasjon

I atmosfæren er svovelsyre og organiske partikler de vanligste kondensasjonskjernene. Forhold som vanndamptrykk og temperatur rundt en partikkel avgjør om vanndamp vil kondensere eller vann fordampe. På grunn av Kelvineffekten (basert på krummingen til dråper) vil mindre partikler trenge høyere relativ fukt for å bli i likevekt enn større partikler. Relativ fukt (%) for likevekt kan uttrykkes i ligningen:

RH=\left({\frac {p_{s}}{p_{0}}}\right)\times 100\%=S\times 100\%

der p_s er metningsvanndamptrykket over en partikkel i likevekt (rundt en krummet vanndråpe), p₀ er metningsvanndamptrykket over en horisontal flate av den samme væsken og S er metningsforholdet.

Kelvins ligning for metningsvanndamptrykk over en krummet overflate er:

{p_{s}}=p_{0}exp\left({\frac {2\sigma M}{RT\rho r_{p}}}\right)

der p₀ er metningsvanndamptrykket over en horisontal flate, r_p er dråperadiusen, σ er overflatespenningen, ρ er tettheten til væsken, M er den molekylære massen, T er temperaturen og R den molare gasskonstanten.

Det finnes tre regimer for kondensasjonspartikler. Det første regimet kalles fritt molekylært regime, som har d_p< 10 nm (partikkeldiameter) eller Kn >> 1 (Knudsentallet). Fritt molekylært regime er karakterisert ved svært små partikler som har samme frie bevegelse og som har mye rom å flytte seg i før de kolliderer med en annen partikkel. Massefluksligningen for et slikt regime er:

I=\pi \cdot a^{2}\left({\frac {P_{\infty }}{k_{b}T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{k_{b}T_{A}}}\right)C_{A}\alpha

der a er partikkelradiusen, P er trykket, k_b er Boltzmankonstanten, T er temperaturen, C_a er termalfarten og α er massetilpassingskoeffisienten. Man tenker seg i utviklingen av denne ligningen at trykket og diffusjonskoeffisienten er konstant.

Kontinuumregimet er for større partikler med d_p> 200 nm eller Kn << 1. I dette regimet er partiklene store nok til å "se" omgivelsene sine som et kontinuum. Den molekylære fluksen i dette regimet er:

I_{cont}\approx {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)

der a er partikkelradiusen til partikkelen A, M_A er den molekylære massen til partikkel A, D_AB er diffusjonskoeffisienten mellom partiklene A og B, R er den ideelle gasskonstanten, T er temperaturen i Kelvin og P er trykket i det uendelige og på overflaten.

Overgangsregimet inneholder alle partiklene som er mellom de to regimene over her (10 nm < d_p < 200 nm) eller Kn ≈ 1. Denne delvis empiriske ligningen skildrer massefluksen:

I=I_{cont}\cdot {\frac {1+Kn}{1+1.71Kn+1.33Kn^{2}}}

der I_cont er massefluksen for kontinuumregimet og Kn er Knudsentallet. Denne ligningen kalles Fuchs-Sutugins interpolasjonsformel. Ingen av disse ligningene tar med effekten av frigitt varme.

Planteplankton blømer i Nordsjøen og Skagerrak - NASA

Planteplanktonets rolle

Sulfatpartikler (SO₄^2- og dråper av metansulfonsyre) opptrer som kondensasjonskjerner. Disse sulfatpartiklene blir delvis dannet av dimetylsulfid (DMS) produsert av planteplankton i havet. Algeoppblomstring i havoverflaten oppstår i nesten alle områder og medvirker stort til tilførselen av DMS i atmosfæren. En teori er at en økning i global temperatur vil føre til økt algeoppblomstring og derfor mer kondensasjonskjerner i atmosfæren, men det er ikke funnet bevis som støtter denne teorien ennå.

Se også

Litteratur

R. Charlson, James Lovelock, M. Andreae and S. Warren (1987). Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate. Nature, 326, 655-661.
Pruppacher, H. R., J. D. Klett. Microphysics of Clouds and Precipitation, Second Edition, Springer, 976. ISBN 0-7923-4409-X.
Seinfeld, John, Spyros Pandis (2006). Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, Second Edition, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 1203. ISBN 0-471-72018-6.