I et særligt kammer på Aarhus Universitet genskaber forskere atmosfæren. Hvorfor?

Skyer er afgørende for vores eksistens på Jorden.

De spiller en vigtig rolle for nedbør og vejr og kan både køle og varme klimaet, alt efter deres type og egenskaber.

Faktisk er skydannelse og skyers egenskaber en stor kilde til usikkerheder i forudsigelser om, hvordan klimaet vil forandre sig i fremtiden, ifølge FN’s klimapanels (IPCC) seneste klimarapport.

For at vi kan forstå Jordens klima og de forandringer, der vil ske i fremtiden, er det derfor vigtigt at forstå de helt essentielle og fundamentale processer omkring, hvordan skyer bliver til og udvikler sig i atmosfæren.

Det er netop vores fokus i grundforskningscentret Center for Chemistry of Clouds (C3), som åbnede i foråret 2023 ved Aarhus Universitet.

Vi har allerede skrevet om, hvad skyer er, og hvordan de opstår her på Videnskab.dk. Det kan du læse om her. I denne artikel dykker vi derfor ned i de mere ukendte dele af skydannelse, og hvad vi forsker i.

Hvad er der, før der er en sky?

Vi er især optaget af såkaldte aerosolpartikler, der er små faste eller flydende partikler, der svæver i luften, for de spiller en vigtig rolle i atmosfæren og for vores liv i flere sammenhænge.

Vi indånder aerosolpartikler, og de har betydning for menneskers helbred.

Men ud over at påvirke vores sundhed har aerosolpartikler også vigtige effekter på klimaet. Man kan beskrive det som en direkte og en indirekte effekt.

Den direkte effekt er, at de kan optage eller reflektere stråling fra Solen, og på den måde opvarme eller afkøle jorden, afhængigt af de enkelte partiklers egenskaber.

Den indirekte effekt er, at partikler kan deltage i skydannelse. Så for at forstå skyers betydning for Jordens klima, er vi altså nødt til først at forstå partiklernes rolle i, hvordan skyer opstår og opfører sig.

Hvorfor bidrager nogle aerosolpartikler til skydannelse og andre ikke?

Man siger, at aerosolpartiklerne kan være skydannelseskerner, altså en form for bittesmå ’frø’ som skyer opstår ud af.

Hvordan aerosolpartikler opstår, kan du læse meget mere om i vores forrige artikel her på Videnskab.dk.

Vi har dog begrænset viden om, hvad der gør, at nogle aerosolpartikler fungerer som kerner for skydannelse, og andre ikke.

Sagt på en anden måde vil vi gerne finde svaret på: Hvilke egenskaber skal aerosolpartikler have for at blive til dråber eller iskrystaller i en sky?

Forskningen har endnu kun kradset i overfladen af, hvordan skyer bliver til – for nu.

Ved at kombinere og udvikle metoder fra flere forskellige forskningsområder inden for kemi håber vi i vores forskningscenter at opnå en dybere forståelse af dette og derigennem blive klogere på skyers rolle for klimaet.

Små dele af atmosfæren i laboratoriet

Vi har et særligt kammer kaldet AURA (Aarhus University Research on Aerosol), hvor vi kan simulere forskellige dele af atmosfæren og undersøge, hvordan aerosolpartikler dannes, vokser og ældes i atmosfæren.

Det er blandt andet dannelsen af sekundære aerosoler, der interesserer os. Det er meget små partikler, der dannes gennem kemiske reaktioner i luften og svæver rundt i atmosfæren.

I et typisk laboratorieforsøg skaber vi en meget ren atmosfære og tilsætter molekyler som ozon, der let indgår i kemiske reaktioner med andre stoffer.

Derefter tilføjer vi andre stoffer for at simulere luften i forskellige miljøer. For at simulere en nåleskov tilsætter vi for eksempel α-pinen, et stof der blandt andet findes i nåletræer og giver gran dets duft.

Når α-pinen reagerer med ozon, dannes nye stoffer, såkaldte ’oxidationsprodukter’, som hellere vil være på partikelform end på gasform.

Disse nye stoffer kan enten danne nye partikler eller få allerede eksisterende partikler til at vokse. Vi siger, at de ‘overgår til partikelfasen’.

Disse nye partikler er vigtige, fordi nogle af dem kan have de egenskaber, der skal til for at være med til at danne skyer.

Ny partikeldannelse

I det særlige kammer AURA kan vi observere dannelsen af tusindvis af aerosol partikler i en enkelt kubikcentimeter luft i løbet af de få minutter, hvor de nye stoffer dannes og overgår til partikelfasen.

En kubikcentimeter svarer til størrelsen på en sukkerknald. Vi kan på nuværende tidspunkt måle partikler helt ned til en størrelse på 1,7 nanometer i diameter. Det er mange tusinde gange mindre end diameteren på et hårstrå.

Men partikler, der er endnu mindre end dette, er vigtige for forståelsen af, hvad der sker, når de nye partikler dannes.

Vi har (endnu) ikke apparatur til at måle de allermindste partikler, som kan være så små, at de faktisk bare er klynger af molekyler.

Til gengæld kan vi med kvantekemi beregne, hvordan molekylære klynger af sporgasser som for eksempel ammoniak eller svovlsyre dannes og vokser.

Klyngerne er vigtige, fordi de er det første tegn på en ny partikel, der på sigt kan være med til at danne skyer.

På den måde komplementerer eksperimenter og kvantekemiske beregninger hinanden.

Fra aerosolpartikler til skydråber

For at en aerosolpartikel kan være kerne for dannelsen af en skydråbe, er det især vigtigt, at partiklen:

• Har en vis størrelse
• Indeholder stoffer, som er vandopløselige.

For at bestemme om de partikler, vi har dannet i AURA, er gode kerner for dannelsen af skydråber, bruger vi et instrument, som kan simulere de betingelser, der er i atmosfæren, med en overmætning af vanddamp, altså lidt over 100 procent luftfugtighed.

En partikel, der består af havsalt, vil være en god kerne for dannelsen af en skydråbe, fordi havsalt er meget opløseligt i vand.

I atmosfæren findes også organiske stoffer som ikke er lige så blandbare med vand som salt.

I områder hvor der er mere end én kilde til aerosoler, for eksempel i havområder, der grænser op til skov eller by, vil man formentlig have havsprøjtspartikler, der kan få en hinde af blandt andet organiske stoffer dannet fra skoven eller byen.

Dermed er det ikke sikkert, at aerosolpartiklen med hinden yderst, vil optage vand lige så godt som havsprøjtpartikler uden en hinde.

Dette er stadig et ret uudforsket område af aerosolforskning. I vores forskningscenter C3 prøver vi derfor at undersøge, hvilke slags hinder der henholdsvis hindrer og forbedrer vandoptag i partikler.

Vi kender ikke alle stoffer i aerosolpartiklerne

En vigtig parameter for, at nogle aerosolpartikler er skydannelseskerner, er således partiklernes kemiske sammensætning – altså hvad aerosolpartiklerne består af.

Den kemiske sammensætning af aerosolpartikler kan være meget kompleks, og en enkelt partikel kan bestå af flere hundrede forskellige stoffer.

I partikler, som er dannet ud fra α-pinen og ozon, kan forskere på nuværende tidspunkt kun identificere op til 50 procent af de stoffer, der er til stede i partikelfasen (se her, her og her).

Derfor bruger vi avanceret udstyr og udvikler nye metoder til at bestemme partiklernes kemiske sammensætning, så vi på sigt kan identificere flere stoffer i partiklerne.

Hvis vi kender den fulde kemiske sammensætning, vil vi være bedre til at forudse, hvilke partikler der er gode skydannelseskerner, og hvilke der ikke er.

Hvordan ældes aerosolpartikler?

Et andet vigtigt element i at afgøre, hvad der udgør en god kerne for skydannelse, handler om, hvordan aerosolpartiklerne ændrer sig, når de bevæger sig rundt i atmosfæren. Det er også et uudforsket område.

Når partiklernes kemiske sammensætning ændres, siger man, at partiklerne ældes. I atmosfæren kan partikler ældes både kemisk og fysisk ved forskellige processer.

I mange tilfælde vil der allerede være andre aerosolpartikler og gasser til stede, når for eksempel α-pinen reagerer med ozon og danner oxidationsprodukter, som kan overgå til partikelfasen.

I AURA-kammeret kan vi tilføje havsprøjtspartikler og undersøge, hvordan de ændrer sig kemisk, når et flygtigt organisk stof som α-pinen fra skovens træer oxideres i luften omkring dem.

Hvad sker der, når partikler ældes?

Som eksempel kan havsprøjtspartiklerne vokse, når oxidationsprodukterne fra α-pinen sætter sig på dem, og på denne måde ændres den kemiske sammensætning af havsprøjtspartiklerne.

Vi kan også studere, hvordan aerosolpartikler ældes i forurenet luft.

Solens lys kan også sætte gang i kemiske reaktioner på og i aerosolpartikler, hvilket vil ændre deres kemiske sammensætning.

Vi ved endnu ikke meget om de forskellige processer, som kan ælde partiklerne, og hvordan partiklernes egenskaber ændres som følge af aldringsprocessen, men det er noget, vi undersøger med stor interesse.

Er aerosolpartikler som vand, peanutbutter eller glaskugler?

Aerosolernes fasetilstand siger noget om, hvorvidt partiklerne er faste, flydende eller måske en kombination.

Det er vigtigt, at vi bliver klogere på fasetilstanden af aerosoler, fordi den har betydning for, hvordan vand vil interagere med partiklen – og vand er helt nødvendigt, hvis partiklen skal blive en skydråbe eller iskrystal.

Vand har en lav viskositet og flyder nemt, mens honning eller peanutbutter flyder langsommere, er blødt og har en højere viskositet.

Det har vist sig, at nogle aerosolpartikler har så høj viskositet, at de faktisk kan beskrives som små flyvende glaskugler.

Hvis partiklen har en lav viskositet, vil det være nemmere for andre stoffer at blandes ind i partiklen og dermed føre til, at partiklen vokser. Hvis partiklen har en høj viskositet eller er ligesom glas, vil blandingen ikke ske så nemt.

Fasetilstanden har også betydning for, hvornår en partikel optager vand og går fra fast form til flydende eller omvendt. Det sker nødvendigvis ikke som en gradvis proces, men kan ske ved en bestemt luftfugtighed.

De fleste salte, som er til stede i aerosolpartikler i atmosfæren, har en bestemt luftfugtighed og temperatur, hvor de begynder at optage vand.

Aerosolpartikler, som ikke er lavet af salte, men måske stammer fra emissioner fra skovens træer eller forbrændingsproceser, optager ikke nødvendigvis vand på samme vis.

Det er vigtigt at vide, hvor godt (eller dårligt) aerosolpartiklerne tager imod vand. For vandet er vigtigt for dannelsen af skyer.

Vi vil studere overfladen på en partikel

Vi ved, at havsalt optager vand rigtig godt, men faktisk er det endnu uklart, hvordan en ydre hinde kan påvirke optaget af vand.

Tænk igen på partiklen fra området, hvor skoven grænser op til havet: Partiklens indre er salt, men hinden består af organiske stoffer og kan være mere som olie.

Derfor vil vi gerne måle direkte på overfladen af partikler med flere faser.

Der er dog meget få i verden, der kan måle direkte på aerosolers overflader.

Et af vores mål i forskningscentret C3 er at udvikle en metode til at måle kemiske processer på aerosolers overflader ved hjælp af laserspektroskopi.

Til at supplere de målinger kan man også lave kvantekemiske beregninger af, hvordan molekylære systemer vil opføre sig

For eksempel vil vi gerne undersøge, om tilstedeværelsen af organiske forbindelser vil ændre på partiklens evne til, at vandmolekyler kondenserer på overfladen.

Bedre forståelse af samspil mellem aerosolpartikler og skydannelse

Vi har også en drøm om at blive i stand til at kunne følge molekylernes opførsel over tid, både i eksperimenter og med kvantekemiske beregninger.

Så vil vi for eksempel kunne svare på, hvad der sker, hvis et givent molekyle sidder på overfladen af en partikel og bliver ramt af lys.

Starter det en kemisk reaktion? Og hvis det gør, er reaktionen på overfladen så anderledes end inde i partiklen eller ude i gasfasen? Og hvilke egenskaber har produkterne af reaktionen?

Alle de ubesvarede spørgsmål, vores igangværende eksperimenter og udviklingen af nye metoder og teknologier danner rammen om forskningen i Center for Chemistry of Clouds.

Vores overordnede mål er at forstå de processer i atmosfæren, som fører til skydannelse – helt ned på molekylært niveau.

Det kan nemlig gøre os klogere på, hvad skyer er, hvorfor de opstår, og hvordan de opfører sig.

Det er vigtig viden for forskere verden over, der arbejder med at finde ud af, hvilket klima vi skal leve under i fremtiden.