Kondensasjonskjerne

Kondensasjonskjernar er små partiklar (typisk 0,0002 mm eller 1/100 av storleiken til ein skydrope) som vassdamp kan kondensere på. Vassdamp kondenserer mykje lettare når ein har kondensasjonskjernar i atmosfæren. Utan kondensasjonkjernar kan vassdamp som blir underkjølt til under 0 °C kondensere til ørsmå vassdropar, og i temperaturar over frysepunktet må lufta overmettast til rundt 400 % før dropar blir danna. For å få danna skyer og nedbør så raskt som dei oppstår i atmosfæren, må ein altså ha kondensasjonskjernar.

Aerosolforrureining over Nord-India og Bangladesh - NASA.

Storleik, mengd og oppbygging

Ein typisk regndrope er rundt 2 mm i diameter, ein typisk skydrope er rundt 0,02 mm, og ei typisk skykondensasjonskjerne (aerosol) er i storleiksorden 0,0001 mm (0,1 mikrometer) eller større i diameter. Talet på kondensasjonskjernar i lufta kan målast og er vanlegvis mellom 100 og 1000 per kubikkcentimeter. Den totale massen av skykondensasjonskjernar som går opp i atmosfæren kvart år er estimert til om lag 2x10¹² kg. Store mengder av desse partiklane fører til dis i område med lågare fukt. Denne tørre disen har òg ein effekt på klima ved enten å absorbere eller reflektere stråling (sjå albedo).

Det finst mange forskjellige typar atmosfæriske partiklar som vassdamp kan kondensere på. Partiklane kan vere støv, leire, sot eller svart karbon frå gras- eller skogbrannar, sjøsalt, sot frå industriutslepp, eksos frå trafikk, sulfat frå vulkansk aktivitet, planteplankton eller oksidering av svoveldioksid og andre organiske material. I tillegg kan dei kjemiske partiklane blande seg med andre partiklar (særleg sulfat og organisk karbon). Nokre partiklar (som sot og mineral) er ikkje så gode som kondensasjonskjernar, men fungerer bra som iskjernar i dei kaldare delane av atmosfæren.

Talet på kondensasjonskjernar og kva dei er laga av kan påverke både strålingseigenskapane og levetida til skyer, og dermed ha ein påverknad på klimaendringar. Detaljane rundt dette er derimot noko ein ikkje heilt forstår enno, og blir framleis forska på.

Iskjernar

Iskjernar er partiklar som kan danne iskrystallar i atmosfæren, og gjer det mogeleg for is å bli danna ved rundt −10 °C. Utan iskjernane måtte ein hatt −40 °C før det vart danna is. Det er mange prosessar i atmosfæren som kan danne ispartiklar. Den enklaste er når vassdamp sublimerer direkte på faste partiklar. Når ein har iskjernar kan det òg føre til at underkjølt vatn frys når dei kjem i kontakt med partiklane.

Ispartiklar kan spele ei viktig brikke i skydynamikk, og er kjend for å ha ei viktig rolle i å elektrifisere skyene, som så kan føre til lyn. Dei er òg viktig i danning av regndropar.

Det er mange forskjellige partiklar i atmosfæren som kan bli iskjernar, både naturleg og menneskeskapte. Desse inkluderer mineral, sot, organisk materiale og sulfat. Det er derimot stor skilnad mellom dei forskjellige stoffa for kor effektivt is kan oppstå på dei under forskjellige atmosfæriske forhold. Ein kjenner lite til fordelinga av desse partiklane, kor stor rolle dei spelar for det globale klimaet og om menneskeleg aktivitet eventuelt har endra på desse effektane.

Kondensasjon

I atmosfæren er svovelsyre og organiske partiklar dei vanlegaste kondensasjonskjernane. Forholda som vassdamptrykk og temperatur rundt ein partikkel avgjer om vassdamp vil kondensere eller vatn fordampe. På grunn av Kelvineffekten (basert på krumminga til dropar) vil mindre partiklar trenge høgare relativ fukt for å bli i likevekt enn større partiklar. Relativ fukt (%) for likevekt kan uttrykkast i likninga:

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

der p_s er mettingsvassdamptrykket over ein partikkel i likevekt (rundt ein krumma vassdrope), p₀ er mettingsvassdamptrykket over ei horisontal flate av den same væska og S er mettingsforholdet.

Kelvin si likning for mettingsvassdamptrykk over ei krumma overflate er:

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

der p₀ er mettingsvassdamptrykket over ei horisontal flate, r_p er droperadiusen, σ er overflatespenninga, ρ er tettleiken til væska, M er den molekylære massen, T er temperaturen og R den molare gasskonstanten.

Det finst tre regime for kondensasjonspartiklar. Det første regimet blir kalla fritt molekylært regime, som har d_p< 10 nm (partikkeldiameter) eller Kn >> 1 (Knudsentalet). Fritt molekylært regime er karakterisert ved svært små partiklar som har same midla fri rørsle og som har mykje rom å flytte seg i før dei kolliderer med ein annan partikkel. Masseflukslikninga for eit 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 Boltzmannkonstanten, T er temperaturen, C_a er termalfarten og α er massetilpassingskoeffisienten. Ein tenkjer seg i utviklinga av denne likninga at trykket og diffusjonskoeffisienten er konstant.

Kontinuumregimet er for større partiklar med d_p> 200 nm eller Kn << 1. I dette regimet er partiklane store nok til å "sjå" omgivnadane sine som eit 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 partiklane A og B, R er den ideelle gasskonstanten, T er temperaturen i Kelvin og P er trykket i det uendelege og på overflata.

Overgangsregimet inneheld alle partiklane som er i mellom dei to regima over her (10 nm < d_p < 200 nm) eller Kn ≈ 1. Denne delvis empiriske likninga skildrar massefluksen:

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

der I_cont er massefluksen for kontinuumregimet og Kn er Knudsentalet. Denne likninga blir kalla Fuchs-Sutugin sin interpolasjonsformel. Ingen av desse likningane tar med effekten av frigjeve varme.

Planteplankton blømer i Nordsjøen og Skagerrak - NASA

Rolla til planteplankton

Sulfatpartiklar (SO₄^2- og dropar av metansulfonsyre) opptrer som kondensasjonskjernar. Desse sulfatpartiklane blir delvis danna av dimetylsulfid (DMS) produsert av planteplankton i havet. Algebløming i havoverflata oppstår i nesten alle område og medverkar stort til tilførsla av DMS i atmosfæren. Ein teori er at ein auke i global temperatur vil føre til auka algebløming og derfor meir kondensasjonskjernar i atmosfæren, men ein har ikkje funne prov som støttar denne teorien enno.

Sjå òg

• Bergeronprosessen
• Kondensasjon
• Deposisjon
• Fordamping
• Sublimasjon

Kjelder

• 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.
• www.agu.org
• www.grida.no
• DMS og klima Arkivert 2015-02-14 ved Wayback Machine.