|
|
|
| Een condensatiekern is een hygroscopisch deeltje dat in de troposfeer zweeft en waarop waterdamp uit de lucht wordt afgezet om een druppel te vormen. In zuivere lucht, waar geen stof of ionen aanwezig zijn, zou namelijk bij 0°C een oververzadiging van 500% moeten worden bereikt voordat de waterdamp druppels zou vormen als gevolg van de oppervlaktespanning van het water. Deze aërosolen, doorgaans in de orde van grootte van 0,2 µm tot enkele micrometers, bevorderen daarom de vorming van wolken en neerslag, vandaar het acroniem dat soms NCN wordt gebruikt voor wolkencondensatiekern. |
| |
 |
| Afbeelding-1 |
|
|
 |
| Afbeelding-2 |
|
| |
| 1: Luchtverontreiniging veroorzaakt door aerosolen boven het Noord-Indiase subcontinent. |
| 2: Functies en lot van vluchtige organische stoffen (VOS) op drie niveaus: gemeenschap, ecosysteem/bioom en atmosfeer-biosfeer. |
| |
| Deeltjesgrootte en samenstelling |
| |
Er zijn drie klassen condensatiekernen: Aitken-kernen (0,005 tot 0,1 µm), grote kernen (0,1 tot 1 µm) en reuzenkernen (1 tot 20 µm).
De algemene verdeling van diameters vertoont een toename in aantal ten opzichte van de diameter in de eerste categorie en vervolgens een geleidelijke afname in de andere twee. Dit wordt verklaard door de geleidelijke afzetting van de grootste kernen onder invloed van de zwaartekracht. De korrelgrootte en samenstelling variëren echter met de tijd en de geografische locatie. |
| |
| Aitken-kernen zijn belangrijk bij de ontwikkeling van bliksem omdat ze kunnen worden geïoniseerd. Behalve op plaatsen met een lage dichtheid aan condensatiekernen (op hoogte of op zee) zijn ze over het algemeen verwaarloosbaar voor de condensatie van waterdamp omdat ze concurreren met de grotere kernen. |
| |
Aerosolen zijn afkomstig van verschillende bronnen: verbrandingsproducten (roet, teer, enz.), droge of natte chemische reacties in de atmosfeer (bijvoorbeeld ammoniumchloride), mechanische ontworteling door de wind (zoutkorrels afkomstig uit de oceaan, stof, vulkanische as , enz.).
Het merendeel van de condensatiekernen heeft een gemengde samenstelling, een niet-oplosbaar substraat en een hygroscopisch deel. Kernen die sulfaat of zeezout bevatten zijn bijzonder effectief, terwijl roet en mineralen slecht oplosbaar zijn en daardoor niet erg effectief. Deze laatste zijn echter nuttiger als bevriezingskernen voor de vorming van ijskristallen in de bovenste troposfeer. |
| |
| Planten worden, vanwege hun onvermogen om te bewegen, in hun omgeving blootgesteld aan een groot aantal biotische of abiotische spanningen die de uitstoot van talrijke VOS veroorzaken die ook kunnen fungeren als condensatiekernen (CCN voor Cloud Cond. |
Druppeltjes beginnen zich te vormen in lucht die doorgaans boven het vriespunt ligt, wanneer de opgetilde lucht oververzadigd raakt ten opzichte
van de omgevingstemperatuur. In schone lucht, waar geen stof of ionen aanwezig zijn, zou een oververzadiging van 500% moeten worden bereikt voordat de waterdamp druppels zou vormen als gevolg van de oppervlaktespanning van het water. |
| |
| Dit soort oververzadiging wordt echter niet aangetroffen in de atmosfeer van de aarde, waar metingen hebben aangetoond dat deze niet groter is dan 1%. De condensatiekernen zullen de waterdamp absorberen en de verkregen chemische oplossing zal de oppervlaktespanning verlagen die nodig is om een druppel te vormen. De oververzadiging hoeft dan nog maar enkele tienden van 1% te bedragen om tot wolkdruppelvorming te leiden. |
| |
Het diagram ltoont de evolutie van de diameter van de waterdruppel met
behulp van een natriumchloridekorrel met drie verschillende diameters als condensatiekern. Het neemt toe naarmate de relatieve vochtigheid toeneemt, maar als de relatieve vochtigheid weer daalt voordat een waarde iets boven de verzadiging wordt bereikt, herkenbaar aan de pieken, zal de druppel verdampen. Dit gedeelte van de grafiek laat zien dat de waterdamp en de druppel zich in thermodynamisch evenwicht bevinden. Het houdt verband met de vorming van droge waas als de relatieve vochtigheid de verzadiging niet overschrijdt. |
| |
| Zodra de lucht de noodzakelijke oververzadiging heeft bereikt, zullen de druppels blijven groeien, zelfs als de relatieve vochtigheid afneemt, zolang de lucht verzadigd blijft, omdat de oppervlaktespanning kleiner is dan de aantrekking van de damp tot water door de druppel. De pieken worden kritische diameter genoemd en de overeenkomstige kritische oververzadiging hangt af van het type en de diameter van de condensatiekern. |
| |
3: Köhler-grafiek van het percentage oververzadiging versus de diameter van
de wolkendruppeltjes met een NaCl-condensatiekern. Oververzadiging is
noodzakelijk om ervoor te zorgen dat deze laatste verder kan groeien dan
de kritische diameter aangegeven door de piek |
|
|
 |
| Afbeelding-3 |
|
| |
Eerst is er de vorming van zeer fijne druppels die de wolk vormen. Naarmate deze druppels stijgen, dalen ze tot onder het vriespunt, maar blijven onderkoeld als er geen bevriezende kernen aanwezig zijn. Deze laatste zijn veel minder beschikbaar dan condensatiekernen. Naarmate ze in
diameter toenemen, moet er een tweede proces plaatsvinden, coalescentie, om een diameter te bereiken die voldoende is om regendruppels te vormen. In feite bereiken de door condensatie gevormde druppels slechts enkele tientallen microns in de tijd die gewoonlijk nodig is om regen te produceren. |
| |
| Andere effecten |
| |
| Zeer hoge concentraties condensatiekernen veroorzaken luchtvervuiling en een toename van het albedo van de atmosfeer, waardoor een deel van de zonnestraling terug de ruimte in wordt gereflecteerd. Condensatie bij subverzadiging resulteert, zoals eerder vermeld, in waas, die een nog hoger albedo heeft. Wolkenvorming zorgt niet alleen voor een hoger albedo, maar houdt ook de warmte tussen de grond en de wolkenlaag vast, waardoor een isolerende laag ontstaat, zoals een dekbed. |
| |
| Sulfaten (SO42− en methylsulfonzuurdruppeltjes) zijn gedeeltelijk het resultaat van de ontleding van dimethylsulfide uit oceanisch fytoplankton. Elke algenbloei in de oceanen verhoogt daarom de lokale concentratie van condensatiekernen. De Gaia-hypothese suggereert dat de opwarming van de aarde het verschijnen van deze uitbloeiingen zou moeten bevorderen, wat op zijn beurt het albedo zou vergroten om de opwarming te verminderen in een natuurlijk controlesysteem voor het fenomeen. Aan de andere kant zou de gelaagdheid van de oceaantemperaturen de warme laag van fytoplanktongroei nabij het oppervlak kunnen scheiden van de koude laag lager waar de voedingsstoffen worden gevonden. |
| |
 |
| Algenbloei in de Noordzee |
|
|
 |
| Afbeelding-3 |
|
| |
| Vulkanen |
| Vulkanen stoten bij hun uitbarsting een aanzienlijke hoeveelheid microscopisch kleine gas- en asdeeltjes uit in de atmosfeer, die vervolgens atmosferische aerosolen worden. Door het aantal aërosoldeeltjes te vergroten via omzettingsprocessen van gas naar deeltjes, kan de inhoud van deze uitbarstingen vervolgens de concentraties van potentiële wolkencondensatiekernen en ijskiemvormende deeltjes beïnvloeden, wat op zijn beurt de eigenschappen van wolken beïnvloedt en leidt tot aan veranderingen in het lokale of regionale klimaat. |
| |
| Van deze gassen worden zwaveldioxide, kooldioxide en waterdamp het meest aangetroffen bij vulkaanuitbarstingen. Hoewel wolken-condensatiekernen van waterdamp en kooldioxide van nature overvloedig aanwezig zijn in de atmosfeer, kan de toename van wolken-condensatiekernen van zwaveldioxide het klimaat beïnvloeden door mondiale afkoeling te veroorzaken. Jaarlijks wordt door vulkanen bijna 9,2 Tg zwaveldioxide (SO2) uitgestoten. Dit zwaveldioxide ondergaat een transformatie in zwavelzuur, dat snel condenseert in de stratosfeer en fijne sulfaataërosolen produceert. De lagere atmosfeer van de aarde, of troposfeer, koelt af als gevolg van het toegenomen vermogen van de aerosolen om zonnestraling terug de ruimte in te reflecteren. |
| |
|
|
|
|
|
|
