Klimaforandringer: Hvilken Nønne Prisle og Merete Bilde, Copenhagen Center for Atmospheric Research, sk Institut, Københavns Universitet Skyer er en central del af klimasystemet og vandcirkulationen på Jorden. Men mange af de mekanismer, som afgør skyernes rolle, er stadig ikke afdækkede, fortæller artiklens forfattere, der forsker i emnet, herunder f.eks. hvilken termodynamisk model, der giver den bedste beskrivelse af skydannelsen. Skyer er med deres evigt foranderlige former og formationer blevet kaldt himlens poesi. Mere pragmatisk er det også skyerne, der lægger sig imellem os og en dejlig solskinsdag. Skyer og medfølgende nedbør kan give problemer for bil- og flytrafik og anden infrastruktur. I et langt større perspektiv spiller skyerne en afgørende rolle i reguleringen af vores klima. En forståelse af skyernes dannelse og egenskaber er derfor fundamental i forhold til klimadebatten, som raser i disse dage. Skyer dannes på overfladerne af mikroskopiske partikler En sky består af tusindvis af små skydråber. Hver eneste dråbe i himlens skyer er dannet på overfladen af en mikroskopisk partikel. Der er ikke tilstrækkeligt med vanddamp i vores atmosfære til, at vandet fortættes af sig selv og danner skydråber ved de temperaturer og tryk, der findes her. I stedet fungerer partikler i atmosfæren som kondensationskim for fortætningen af vanddamp på samme måde, som der dannes vanddråber på en kold øl, når den tages ud af køleskabet. Dannelsen af skydråberne afhænger af luftfugtigheden, temperaturen og trykket i atmosfæren. Men også egenskaber ved partiklerne er med til at afgøre, om de kan virke som kim for dannelsen af skydråber, først og fremmest partiklernes størrelse og kemiske sammensætning. Skyer er en central del af klimasystemet og vandcirkulationen på Jorden. Men mange af de mekanismer, som afgør skyernes rolle, er stadig ikke afdækkede. Faktisk udgør de atmosfæriske partiklers indflydelse på klimaet gennem dannel- Figur 1: Ligesom store skydråber har de store isterninger til højre færre overfl ader og refl ekterer derfor mindre lys end de små isterninger til venstre. Derfor ser indholdet i skålen med de få og større isterninger mere gråt ud (Foto: Thomas Rosenørn). 52 LMFK-bladet, nr. 2, marts 2009
farve har fremtidens skyer? Figur 2: I skibenes røgfaner dannes skydråber på overfl aden af forbrændingspartikler. Flere skydråber refl ekterer mere lys, og skyerne bliver hvidere (Foto: NASA Visible Earth Image Gallery, Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC, http://visibleearth.nasa.gov/view_rec.php?id=5619) sen af skyer den ubetinget største usikkerhed i vores forståelse af den menneskeskabte påvirkning af Jordens strålingsbalance og dermed af det globale klima. Skyer kan reflektere sollyset og således virke kølende som en parasol, eller de kan tilbageholde Jordens varmestråling, og i stedet virke som en dyne. Reflektiviteten kaldes også for skyernes albedo. Denne afhænger af både størrelsen og antallet af dråber i en sky: Jo flere og jo mindre dråberne er, jo mere lys reflekterer skyen. Skyen har en højere albedo og ser hvidere ud. Det samme fænomen kan ses for isterningerne i Figur 1. De store isterninger til højre har færre overflader, som kan reflektere lyset, og ser derfor mere grå ud, end de små isterninger til venstre. Regnvejrsskyer indeholder ligeledes få men større dråber, og derfor ser disse skyer grå ud. De store dråber er tungere end de små dråber i den hvide sky og påvirkes derfor mere af tyngdekraften, så de falder ned som regn. Antallet af partikler, der kan virke som kondensationskim, bestemmer således skyernes farve. Figur 2 er et sattelitbillede taget over havet ud for den amerikanske vestkyst. Der er naturlige skyer i området de fremtræder svagt lysegrå. De hvide striber af skyer på billedet kaldes kondensstriber, eller contrails, og er dannet i røgfanerne fra skibe. Det brændstof som skibene anvender har et højt svovlindhold, og de partikler der dan- LMFK-bladet, nr. 2, marts 200953
nes i skibenes motorer er rigtigt gode skykondensationskim. Skibene har bogstavelig talt ændret skyernes farve og gjort dem mere hvide. Atmosfæriske partikler er jokeren i fremtidens klima Skyers kølende effekt på klimaet menes at være den dominerende, men præcis hvor meget Jorden bliver kølet af ændringer i skyerne fra menneskeskabte partikler er stadig meget usikkert. Dette har afgørende betydning for de modeller, der forudsiger de klimaændringer og størrelsen af den globale opvarmning, vi kan forvente i fremtiden 1. Partikler har mange andre funktioner i atmosfæren end deres indflydelse på skyerne. Atmosfæriske partikler kan også selv både reflektere og absorbere såvel lys som varme og således påvirke klimaet direkte tillige med den indirekte påvirkning via skyerne. Figur 3 viser en opgørelse fra FNs klimapanel over de vigtigste identificerede menneskeskabte aktører i påvirkningen af det globale klima, heriblandt klimaeffekterne af de atmosfæriske partikler. Men partikler i luften udgør desuden en betydelig helbredsrisiko for mennesker i forurenede byer, ligesom partiklerne kan nedsætte sigtbarheden markant og således påvirke vores infrastruktur. Derfor er der gennem de senere år blevet indført stadig strammere reguleringer for at nedbringe antallet af partikler i luften. Hvis det lykkes at nedbringe antallet af partikler i atmosfæren af sundhedsmæssige hensyn, hvilken betydning kan det så få for klimaet i fremtiden? Med færre partikler kan de nuværende klimamodellers forudsigelser af den globale opvarmning potentielt være endnu højere end hidtil antaget 2. Partiklernes levetid i atmosfæren er relativt kort, fra få timer til dage eller uger. Hvis udledningen af menneskeskabte partikler begrænses, vil antallet af partikler i atmosfæren derfor hurtigt falde. Derimod overlever drivhusgasserne, der er hovedårsagen til den globale opvarmning, i atmosfæren i mange år ofte i århundreder eller endda årtusinder. Hvis vi ikke kender partiklernes kølende effekt på klimaet i dag, hvordan isolerer man så drivhusgassernes opvarmning? Og hvordan forudsiges størrelsen af drivhusgassernes opvarmning, med eller uden partiklernes modspil, i fremtiden? Det er derfor yderst vigtigt at forstå partiklernes rolle i det globale klima gennem dannelsen af skyerne bedre, for bedre at kunne indkredse omfanget af de klimaændringer, vi kan forvente, i både den umiddelbare og den lidt fjernere fremtid. Partikler i atmosfæren har størrelser mellem ganske få nanometer (1 nanometer = 10-9 meter) og flere mikrometer (1 mikrometer = 10-6 meter). Deres kemiske sammensætning er yderst kompleks de indeholder stort set alt hvad man kan tænke sig, lige fra uorganiske salte, metaller og vand til store og små organiske molekyler. At bestemme den kemiske sammensætning af en nano-partikel, som svæver i luften, er en kæmpe udfordring for vor tids kemikere. I øjeblikket er man kun i stand til at karakterisere en del af de stoffer, som findes i atmosfæriske partikler. Partikler i atmosfæren har både menneskeskabte (f.eks. forbrændingsprocesser) og naturlige kilder (f.eks. vulkanudbrud og bølgeskvulp). For at kunne forudsige effekten af menneskeskabte partikler på Jordens klima er det nødvendigt, at vi også forstår effekten af de naturlige partikler. Lyserøde skyer i laboratoriet I aerosol-laboratoriet på sk Institut, Københavns Universitet, undersøger vi forskellige typer partiklers evne til at danne skydråber. Partiklerne bliver fremstillet i laboratoriet som kontrollerede modelsystemer for de rigtige partikler, der findes i atmosfæren. Partiklerne i atmosfæren indeholder ofte mange hundrede forskellige kemiske forbidelser fra en række forskellige stofklasser, heriblandt uorganiske salte og organiske molekyler med aldehyd-, carboxylsyre- og alkohol-funktionelle grupper. I laboratoriet fremstilles partiklerne typisk af blot en eller to kemiske forbindelser. Disse forbindelser udvælges som repræsentanter for bestemte fysiske og kemiske egenskaber, vi ønsker at undersøge, eksempelvis vandopløselighed, damptryk, syrestyrke eller overfladeaktivitet. Alle disse egenskaber påvirker partiklernes evne til at fortætte vanddamp på deres overflader og vokse sig store til skydråber. 54 LMFK-bladet, nr. 2, marts 2009
Figur 3: Atmosfæriske partikler spiller en potentielt vigtig rolle i klimaet via deres evne til at virke som kim for dannelsen af skyer. Dette kaldes partiklernes indirekte klimaeffekt. Figuren er taget fra den seneste rapport udgivet af FNs Internationale Klimapanel (IPCC) og viser effekten af menneskeskabte udslip af gasser og partikler på Jordens strålingsbalance. Radiative forcing kan noget forsimplet betragtes som et udtryk for, om en mekanisme køler eller varmer Jordens overflade. Drivhusgasser bidrager således til en opvarmning, mens skyer fra menneskeskabte partikler bidrager til en afkøling. Man bemærker, at usikkerheden i vores forståelse af partiklernes indirekte klimaeffekt er stor, mens drivhusgassernes effekt omvendt er godt forstået (Figuren er reproduceret fra Climate Change 2007 The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Chapter 2, Page 136. Cambridge University Press, 2007). LMFK-bladet, nr. 2, marts 2009 55
Vi har flere teknikker til at fremstille partiklerne med. Én metode er at forstøve en vandig opløsning af de kemiske forbindelser, vi ønsker partiklerne skal bestå af. Herved fås en fin opslemning af bittesmå dråber i luft, også kaldet en aerosol. Ved efterfølgende at føre den dannede aerosol gennem et sæt diffusionstørrere, fjernes vandet fra dråberne, og kun det opløste stof bliver tilbage som faste partikler. Ønsker vi derimod partikler, der er bygget op i flere koncentriske lag, kan vi fremstille dem i vores såkaldte smog-kammer. Smog-kammeret kan ses i baggrunden på forsidebilledet. Det en 22 m 3 teflonpose, hvor vi kan simulere et lille udsnit af atmosfæren. Ved hjælp af forstøveren kan vi fremstille for eksempel saltpartikler, som derefter ledes ind i smog-kammeret. I smog-kammeret kan vi så kondensere eksempelvis organiske stoffer på saltpartiklerne. Smog-kammerets store volumen gør, at vi kan holde partiklerne svævende i mange timer. Selve dannelsen af skydråber undersøges med vores Cloud Condensation Nucleus Counter, i daglig tale kaldet sky-kammeret, der er specialbygget på Wyoming University i Laramie, USA. Af navnet kunne man måske foranlediges til at forestille sig sky-kammeret stort nok til at rumme en hel sky. Men i virkeligheden består sky-kammerets hjerte af et lille cylindrisk diffusionskammer, ca. 3 cm højt og 10 cm i diameter, hvor temperatur og luftfugtighed kan kontrolleres. På forsidebilledet ses sky-kammeret i brug i laboratoriet. De fremstillede partikler sendes ind i diffusionskammeret og udsættes her for nøje udvalgte luftfugtigheder. Hvis partiklerne vokser til skydråber under de pågældende betingelser, kan vi se det ved spredning af laserlys. Vi benytter en rød laser til at se skydråberne, så med lidt god vilje kan man sige, at vi laver en meget lille lyserød sky inde i kammeret. Dannelse af en skydråbe tager kun få sekunder. For en bestemt kemisk sammensætning af partiklerne kan vi derfor undersøge dannelsen af skydråber ved mange forskellige partikelstørrelser og luftfugtigheder i et enkelt eksperiment. Sæbeskum over havene I øjeblikket er vi blandt andet i færd med at undersøge modeller af marine partikler i laboratoriet. Partikler dannes over havet, når bølgerne brydes. Herved slynges fine aerosoler af havvand op i luften og tørres, så kun partikler bestående af stoffer fra havvandet bliver tilbage. Havene er som bekendt fulde af opløst havsalt (natriumchlorid). På havoverfladen ligger desuden mange steder et fint lag af fedtsyrer, som menes at stamme fra nedbrudt organisk materiale i havene. Marine partikler består derfor blandt andet af store dele havsalt og fedtsyrer. I laboratoriet undersøger vi nu partikler, som består af havsalt og forskellige fedtsyrer. Fedtsyrerne er overfladeaktive, dvs. de virker som sæbe og sænker overfladespændingen af vandige opløsninger. Skydråber er i sig selv bittesmå vandige opløsninger, og man kan derfor forestille sig, at fedtsyrenes overfladeaktivitet har indflydelse på skydråbernes dannelse og egenskaber. Vores undersøgelser tyder på, at de overfladeaktive fedtsyrer faktisk påvirker dannelsen af skydråber, men den termodynamiske beskrivelse af de involverede mekanismer er langt fra ligetil. Et af de forhold, vi er særligt interesserede i at belyse, er netop hvilken termodynamisk model, der giver den bedste beskrivelse af skydannelsen, som vi ser den i laboratoriet. Vi har hidtil undersøgt, hvordan partikler, som består af rene fedtsyrer, virker som kim for dannelsen af skydråber 3. I øjeblikket er vi ved at undersøge partikler, som både består af havsalt og fedtsyrer. Tilstedeværelsen af salt i partiklerne påvirker fedtsyrernes overfladeaktivitet, men også den rolle, overfladeaktiviteten spiller under dannelsen af skydråberne. Næste skridt bliver at få resultaterne sat ind i en klimamodel, for at finde ud af hvad dette betyder for Jordens klima. På den måde spænder vores undersøgelser vidt i rum og tid helt fra dannelsen af de enkelte skydråber på ganske få sekunder og til forandringer i hele Jordens klima mange år ud i fremtiden. 1 Intergovernmental Panel on Climate Change: Climate Change 2007, The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press (2007). 2 Andreae, M.O., et al. (2005). Nature 435, 1187-1190. 3 Prisle, N.L., et al. (2008). Tellus B 60, 416-431. 56 LMFK-bladet, nr. 2, marts 2009