twitter google+ facebook

Aerosoler og skyfysik

Figuren viser effekten af aerosoler på skyernes evne til at reflektere sollys. Hvide streger i det stabile skydække stammer fra aerosoler fra skibsudstødning. Satellit billede (taget med MODIS instrumentet) fra NASA den 11/5-2005 af Atlanterhavet ved USA’s østkyst (Kilde: NASA Earth Observatory, earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/NewImages/images.php3)

Skyer på himlen kommer til udtryk ved et markant skifte i luftens gennemsigtighed og består af små dråber af flydende eller frosne vandige opløsninger. Disse skydråber og is-partikler har en størrelse mellem 2 og 100 mikrometer og forbliver svævende i luften i modsætning til regndråber der typisk har en størrelse på mindst 0.1 millimeter (finregn) og derved falder ud af atmosfæren pga. tyngdepåvirkningen.     

En nødvendig betingelse for dannelsen af skydråber er at luften indeholder en blanding af vanddamp og aerosoler. Aerosoler er flydende eller faste partikler i suspension i en gas. I Danmark stammer de fra naturlige kilder f.eks. forstøvning af havvand (havsalt), når bølger brydes, og turbulent opblanding af jordpartikler, imens menneskeskabte kilder bl.a. indeholder sod fra forbrændingsprocesser såsom ved skibs, -vej og fly-traffik. En stor del af aerosolkoncentrationen i Danmark bliver transporteret fra omkringliggende lande og indeholder bl.a. partikler dannet i atmosfæren fra forstadie-gasser, vulkanske partikler og partikler fra skovbrande.  

En given luftmasse kan kun indeholde en vis mængde vanddamp, og denne mængde afhænger af luftmassens temperatur. Således kan en varm luftmasse indeholde mere vanddamp end en kold. Luftmassens relative fugtighed er et mål for hvor tæt luftmassen er på at indeholde den kritiske mængde vanddamp, så en relativ fugtighed på 100% betyder at luftmassen ikke kan indeholde mere vanddamp og luften når her sit mætningsniveau. Når en luftmasse afkøles f.eks. ved at den bevæger sig ind over en kold overflade eller stiger til vejrs, stiger den relative fugtighed og ved mætning begynder vanddampen at skifte fase og ud-kondensere. Kondensering af ren vanddamp sker først ved meget høj overmætning (en dråbe bestående af 20 vandmolekyler vil kun være stabil, dvs. ikke fordampe, hvis overmætningen er ca. 10% svarende til en relativ fugtighed på 110% og mindre dråber kræver højere overmætning for ikke at fordampe igen) og observeres generelt ikke i atmosfæren. Hvis der derimod er kondensationskerner ( link til lexikassen) i form af aerosoler tilstede i luftmassen vil vanddampen ud-kondensere på disse og hurtigt reducerer den relative fugtighed tilbage til 100%. Man kan således sige at antallet af aerosoler tilstede i luftmassen (sammen med luftmassens afkølingsrate) er en afgørende faktor for hvor stor overmætning der nås ved afkøling af en luftmasse, og ved overfladen observeres der sjældent overmætning over 2% (svarende til en relativ fugtighed på 102%).

Inde i skyen deltager skydråberne i flere typer af processer. I starten af skyens levetid er yderligere kondensation af vanddamp den vigtigste proces hvorved dråberne vokser, men senere bliver de så store at tilfældige kollisioner og sammensmeltning bliver den dominerende proces for dråbernes vækst. Det er ved denne proces at dråberne kan vokse sig så store at turbulensen i skyen ikke kan holde på dem og de regner ud. I praksis vil de største dråber eksistere i toppen af skyen og enkelte dråber vil når de falder udløse en kædereaktion når de kolliderer med mindre dråber. Det er denne proces, præget af tilfældighed, der fører til nedbør og skyens ophør. Skyens levetid er derfor i nogen grad styret af størrelsen af skydråberne (jo større dråber, des større chance for at nedbøren udløses) og hvor hurtigt de vokser (afkølingsrate og tilgængelighed af vanddamp). Her spiller aerosolerne en særlig rolle, idet de kontrollerer størrelsen af de nydannede skydråber og fordi at små dråber fordamper hurtigere end store dråber. Hvis luftmassen oprindeligt indeholdt mange aerosoler vil skyen indeholde mange men små skydråber, idet aerosolerne konkurrerer om den tilgængelige vanddamp. Hvis luftmassen derimod indeholdt få aerosoler vil skyen bestå af relativt få men store skydråber.

Størrelsen af skydråberne påvirker ikke bare nedbørsprocesserne men også evnen til at reflektere solens lys fra skytoppen. Nu flere små dråber der er til stede des mere sollys vil blive reflekteret (se figur 1). Dette har en særlig betydning for stabile skyer idet deres livscyklus i særlig grad afhænger af skyens evne til at afskærme overfladen fra solens stråler og fordampning af små mængder nedbør.           

Skyer der dannes i luftmasser med temperatur under 0°C, eller skyer der udvikler sig til højder hvor temperauren er under 0°C, kan indeholde frosne dråber. Ligesom for de flydende dråber spiller aerosolerne også her en central rolle. Is-partiklerne kan dannes på flere måder, men frysning af en flydende dråbe bestående af rent vand sker først ved temperaturer under -38°C. Dette skyldes at de kondensationsker skydråben oprindeligt blev lavet på var opløselige og nu er helt opløst i den flydende dråbe og at tilstedeværelsen af opløste stoffer sænker dråbens frysepunkt; dråberne siges at være underafkølede. Hvis kondensationskernerne, derimod, indeholdt uopløselige komponenter ville disse kunne assistere dråbens fryseproces således at den fryser ved en højere temperatur. For eksempel vil tilstedeværelsen af mineralsk støv hæve dråbens frysepunkt til ca. -20°C.  En anden proces hvorved is-partikler kan dannes er at vanddampen udkrystalliserer som is direkte på en aerosol (depositions frysning) eller ved at en aerosol kollidere med en underafkølet dråbe, der hermed hurtigt fryser (kontakt frysning). 

En aerosols evne til at assistere i frysningsprocesser afhænger primært af dens størrelse og af den mikroskopiske struktur af dens overflade. Biologiske aerosoler kan påvirke dråberne til at fryse ved meget høje temperature (omkring -5°C) og kan dermed teoretisk set spille en rolle for vejr og klima; dette er et forholdsvis nyt forskningsområde, hvor også DMI bidrager.

Netop disse frysningsprocesser ser ud til at have stor vigtighed for dannelsen af skyer med en flydende fase (evt. af underafkølede dråber) i bunden og en frossen fase i toppen af skyen. Disse optræder ofte over Danmark og er af vigtighed idet is-partikler vokser væsentligt hurtigere end flydende dråber. I et blandet miljø med både flydende og frosne dråber vil vanddampen nemmere kunne ud-kondensere på is-partiklerne, der dermed vokser på bekostning af vanddråberne. Hermed kan store is-partikler der falder fra toppen af skyen udløse nedbørsprocessen. Samlet set kan man altså sige at aerosoler er en nødvendig betingelse for dannelsen af skyer bestående af både flydende vand og is, de er med til at styre udløsningen af nedbør og de påvirker skyernes strålingsegenskaber.

Ny forskning har vist at aerosoler også vekselvirker med skyer på andre måder bl.a. ved at ændre atmosfærens temperaturfordeling eller ved at opvarme områder i en sky, der derved fordamper. Aerosol/sky-vekselvirkninger er et stort forskningsområde idet man ikke kan lave en vejrprognosemodel uden at tage højde for aerosolernes indflydelse, og fordi aerosol/sky- vekselvirkningerne er en af de største usikkerhedsfaktorer i klimamodellerne. DMI bidrager med forskning og udvikling inden for begge områder.