Molekyler mødes, og regn opstår
TÆNKEPAUSE: Når regn opstår, frigør det en energi, der kan skabe alt fra dansk blæsevejr til tornadoer i Den Mexicanske Golf.
blæsevejr-regn

Når det regner, kommer der også blæsevejr. Det ved alle, der har oplevet en dansk sommer. (Foto: Shutterstock)

Når det regner, kommer der også blæsevejr. Det ved alle, der har oplevet en dansk sommer. (Foto: Shutterstock)

27. december 2020 regnede det fra morgen til aften i Aarhus. Over hele Aarhus Kommune faldt der i alt ni millimeter regn for hver kvadratmeter.

Tallet lyder ikke af meget, men samlet set taler vi om 400 milliarder liter vand på 12 timer fordelt over et areal på 469 kvadratkilometer. Hvis alt det vand skulle opsamles i for eksempel den lille sø ved Aarhus Universitet, skulle den være 320 meter dyb.

Regn opstår, når vanddamp kondenserer, altså når vandmolekylerne finder sammen og laver såkaldte hydrogenbindinger.

Tænkepauser


Søren Rud Keiding har skrevet bogen 'Tænkepauser – Vand', som denne artikel bygger på. 

Tænkepauser er en bogserie fra Aarhus Universitetsforlag. I Tænkepauser formidler forskere deres viden på kun 60 sider i et sprog, hvor alle kan være med. 

'Vand' er nummer 93 i serien og udkom 1. november 2021.

Læs mere om bogen her.

Hver gang én hydrogenbinding dannes, frigøres der en lille mængde energi. Lægger vi alle de små bidrag fra hver enkelt hydrogenbinding i 400 milliarder liter vand sammen, bliver energimængden enorm.

Juleregnen over Aarhus frigjorde faktisk samme mængde energi som 15 atombomber, hver især af samme størrelse som den, der sprang over Hiroshima i 1945.

Når det regner, kommer der blæst

Al den frigjorte energi fra regnskyen omdannes til blæsevejr. Det er ikke så simpelt, som det lyder, for når to vandmolekyler mødes, og en (meget lille) vanddråbe opstår, er det også nødvendigt, at et tredje molekyle er til stede for at fjerne energien.

I en regnsky er det oftest endnu et vandmolekyle eller måske et oxygen- eller et nitrogenmolekyle, der bærer energien væk. Det sker ved at sætte molekylerne i bevægelse – ved rent ud sagt at øge deres hastighed.

Disse hurtige molekyler støder derefter ind i molekyler med mindre fart på, og på et splitsekund er der fart på alle molekylerne i skyen: Det begynder at blæse.

Det mærker man tydeligt om sommeren med bygevejr, især hvis man cykler, sejler eller går tur: Når det regner, kommer der også blæst.

Undertryk skaber tornadoer

Når molekylerne i atmosfæren får fart på i forbindelse med kondensationen, skaber de også et betydeligt undertryk, altså et område i atmosfæren, hvor trykket er lavere end i omgivelserne.

Du kan observere effekten hjemme på badeværelset, hvis du har et gammeldags bruseforhæng.

Tænder du for det varme vand og trækker forhænget for, vil forhænget ’suges’ ind i brusekabinen. Det er vandet fra bruseren, der sætter fart på alle molekylerne inde i kabinen, og når molekylerne på indersiden af kabinen derfor bevæger sig hurtigere end molekylerne på ydersiden, opstår der et undertryk, der suger forhænget ind i brusekabinen.

Det er samme simple princip, formuleret af den schweiziske fysiker Daniel Bernoulli, som man bruger til at forklare, hvordan vinden får en flyvemaskine til at lette fra Jorden, og hvordan den presser en Formel 1-racerbil mod asfalten.

Det sker også i regnskyen: De hurtige molekyler skaber et undertryk, der suger varm og fugtig luft fra jordoverfladen op i skyen. Her kondenserer vandet igen, og endnu mere energi frigives.

Det er måske ikke så tydeligt under et lille lokalt juleregnvejr over Aarhus, men med en tropisk storm over Den Mexicanske Golf er det straks en anden sag. Her kan undertrykket inde i midten af regnskyen blive så voldsomt, at der dannes tornadoer.

I tornadoen er der både en opadgående bevægelse på grund af ’suget’ fra regnskyen og en roterende bevægelse, der afhænger af Jordens rotation og den fremherskende vindretning.

Kræfterne i en tornado og dens ødelæggelser er et godt vidnesbyrd om, hvor meget energi der er gemt i hydrogenbindingerne.tornado vejr regn metrologi opdrift vind blæsevejr energiudladning

Atmosfærisk feedback

Eksemplet med tornadoen illustrerer også de feedbackmekanismer, der gør en nøjagtig beskrivelse af klimaforandringerne så udfordrende: Kondensation af vanddamp fører til regn og blæsevejr, og blæsten skaber et undertryk, der fører mere vanddamp op i skyerne, og der dannes mere regn.

Det er et eksempel på positiv feedback, hvor mere skaber endnu mere. Men med den stigende temperatur øges mængden af vanddamp i atmosfæren også, og der dannes flere skyer. Skyerne vil mindske mængden af sollys, der når Jorden, og så er der pludselig en negativ feedbackeffekt, hvor temperaturen igen reduceres.

Klimaforskere skal hele tiden balancere og vurdere disse mekanismer for at få den mest præcise forståelse af, hvordan drivhusgasser som kuldioxid skaber klimaforandringer. Men fælles for samtlige mekanismer er, at de alle er drevet af vand.

Heldigvis bliver klimamodellerne bedre og bedre til at medtage alle de mange, positive som negative, feedbackprocesser, og vores forståelse for klimaforandringerne bliver mere præcis.

Det hjælper desværre ikke umiddelbart på klimaet, men det hjælper os forhåbentligt til at træffe klogere beslutninger.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra Lundbeckfonden. Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af Lundbeckfonden. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Is kan ikke dannes af kulde alene

Vands overgang fra væskefase til fast fase spiller også en rolle for vores klima. Når vand fryser og bliver til is, frigiver det syv gange mindre energi end i overgangen fra damp til væske.

Derfor fristes jeg til at sige, at faseovergangen fra vand til is opererer lidt mere i det skjulte.

Den laver ikke tornadoer og orkaner, men den sørger dog alligevel for at drive Golfstrømmen, som blandt andet giver Europa et veltempereret klima.

Men hvordan bliver vand egentligt omdannet til is?

Kulde i sig selv er ikke nok, når vand skal fryse til is. Vandmolekylerne skal også vende rigtigt i forhold til hinanden. Derfor har vand brug for et kim, der kan være udgangspunkt for krystalliseringen.

Kimet kan være et støvkorn, en sodpartikel, en luftboble, en bakterie eller en encellet grønalge.

Hvis vi nedkøler meget rent vand meget langsomt og meget forsigtigt, kan vi lave såkaldt underafkølet vand, altså flydende vand, der har en temperatur et godt stykke under frysepunktet ved 0 grader.

Og er vi meget omhyggelige og kun arbejder med mikroskopisk små og helt rene vanddråber, kan vandet faktisk nå en temperatur helt ned til minus 41 grader, uden at det fryser til is.

Ifølge teorien bør det være muligt at nå helt ned til minus 48 grader. Ved den temperatur bliver vandet tyktflydende, ligesom piskefløde, og mange af dets særlige egenskaber forstærkes. Det gælder eksempelvis varmekapaciteten, der stiger, og densiteten, der falder, når vi underafkøler vand.

Sådan opstår isslag

Også regndråber kan være underafkølede. Det kræver dog, at der i en periode er koldest i lav højde og varmere højere oppe i atmosfæren. Når denne type inversion optræder om vinteren, kan man være heldig, eller måske skulle man sige uheldig, at det regner med underafkølet vand, det såkaldte isslag.

I samme øjeblik regndråberne rammer jorden, fryser de til is og dækker jorden, bygninger, gadelamper, elledninger og alt andet med et lag af is.

Det bliver naturligvis meget glat, og hvis det også er blæsevejr, kan den tunge vægt af isslaget få ledninger og lamper til at knække eller gå i stykker.

Atmosfærens usynlige Zoologiske Have

Mange forskere undersøger de processer, der afgør, om det regner, sner eller hagler. En relativt overraskende og ny opdagelse har at gøre med luftbårne bakterier og mikroalger.

De fleste – formoder jeg – har nok en forestilling om, at biologi finder sted i jorden, på eller tæt på jordoverfladen eller i havene.

Men højt i atmosfæren er der faktisk en rig og usynlig Zoologisk Have bestående af alger og bakterier. Dette biologiske materiale hvirvles op fra Jorden og kan på grund af dets minimale størrelse faktisk flytte sig rundt i atmosfæren.

Disse bakterier og mikroalger ser ud til at spille en vigtig rolle i faseovergangen fra vand til is i atmosfæren. Nogle af dem har faktisk specialiseret sig i at få vand til at fryse til is ved at bære på særlige proteiner, der fremmer dannelse af is.

Denne evne nyder skiløbere i for eksempel Alperne i dag godt af. Når skisportsstederne laver kunstig sne, sker det ofte gennem snemaskiner, hvor man tilsætter disse ’isdannende’ bakterier for at lave vand om til sne.

Andre organismer har udviklet proteiner, der gør det modsatte, altså forhindrer vand i at fryse til is.

Forskere undersøger nu, om disse proteiner kan være med til at udvikle kulderesistente planter og nedfryse levende dyr og planter.

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.