Chmury i aerozole

Dowiedz się więcej!

Właściwości aerozoli obecnych w powietrzu

W zależności od źródła pochodzenia i przemian w atmosferze, aerozole mają różne rozmiary i występują w różnych stężeniach; mają więc różne własności fizyczne. Różni je jednak także skład chemiczny. Własności fizyczne i chemiczne cząsteczki mają istotny wpływ na jej zachowanie się w atmosferze. Jedną z przyczyn tak dużego znaczenia aerozoli jest ich rola w tworzeniu się chmur.

Skład chemiczny aerozoli

Skład chemiczny cząstek stałych silnie zależy od źródła ich pochodzenia.
Główne składniki to sól morska, siarczany, azotany, amoniak, materiał organiczny, pierwiastki budujące skorupę ziemską, metale śladowe i woda.

Duże cząsteczki (średnica > 1µm) to zwykle pierwiastki budujące skorupę ziemską (np. krzem, magnez, wapń, glin), chlorek sodu (z aerozolu morskiego), cząstki pochodzenia biologicznego (np. pyłki, zarodniki), pył węglowy.

Małe cząsteczki w większości składają się z wtórnych aerozoli (powstałych poprzez konwersję między powietrzem a cząsteczką), np. siarczany, azotany, związki organiczne, metale (np. ołów, żelazo, miedź, nikiel) i węgiel.

Reakcje chemiczne

Atmosfera znajduje się w nieustannym ruchu i ciągle się zmienia, dlatego też skład chemiczny cząsteczki może podlegać zmianom w czasie jej przebywania w atmosferze (zwykle kilka dni). Wyróżniamy dwie grupy reakcji: wewnętrzne i zewnętrzne.

W trakcie reakcji zewnętrznych cząsteczki pochodzące z różnych źródeł pozostają oddzielone od siebie, nie łączą się.

W trakcie reakcji wewnętrznych, różne substancje ulegają połączeniu w jedną cząsteczkę. Czym starsza masa powietrza, tym większy zakres reakcji wewnętrznych.

1. Obraz pyłu mineralnego z troposfery nad oceanem.
Copyright © 1999, The National Academy of Sciences

Jądra kondensacji

Jedną z najważniejszych funkcji aerozolu w atmosferze jest udział w procesie powstawania chmur. Na jego cząsteczkach kondensuje para wodna. Nie wszystkie cząsteczki aerozolu mogą służyć jako jądra kondensacji, na których tworzą się krople. Zależy to od rozmiaru cząsteczki, składu chemicznego i przesycenia parą wodną (patrz tekst o tworzeniu się chmur).

To, jaka część cząsteczek tworząca aerozol może być jądrami kondensacji, ma większe znaczenie nad obszarami oceanicznymi niż nad zanieczyszczonymi obszarami lądowymi. Stężenie jąder kondensacji w powietrzu nad oceanami wynosi około 100 na cm³, zaś np. nad obszarami przemysłowymi – kilkaset na cm³ .

Aby spełnić rolę jąder kondensacji cząsteczki muszą być wystarczająco higroskopijne, czyli muszą zawierać wystarczająco dużo materiału rozpuszczającego się w wodzie.  Z tego powodu ich skład chemiczny także kształtuje tworzenie się kropel chmurowych. Przykładowo, cząsteczki gleby bezpośrednio po dostaniu się do powietrza nie mogą pełnić roli jąder kondensacji, natomiast cząsteczki soli morskiej - tak (w wilgotne dni ciężko używać solniczki gdyż para wodna kondensuje na kryształkach soli i zlepia je).

2. Trasy przepływu statków. Cząsteczki emitowane w spalinach dużych statków pełnią rolę jąder kondensacji i tworzą chmury widoczne na zdjęciu. Francja znajduje się po prawej stronie a Hiszpania na dole zdjęcia. Statki płynęły przez wschodni Atlantyk, a chmury pozwalają prześledzić ich trasy. Takie chmury mogą się utrzymywać przez kilka godzin a ich obserwacja pozwala wyciągać wnioski co do czasu ich powstania i prędkości z jaką płynął statek. Czym większa prędkość statku, tym węższe i dłuższe chmury.
Źródło: NASA.

Wpływ aerozoli na chmury

Wiemy już zatem, że cząstki aerozoli umożliwiają tworzenie się chmur. Rozmiar i ilość cząstek musi więc zmieniać cechy charakterystyczne chmury. Aerozole odgrywają bardzo ważną rolę w powstawaniu chmur, poprzez modyfikowanie procesów mikrofizycznych w chmurze (ilość i rozmiar kropel), kształtowanie potencjału opadowego chmury i jej własności optycznych.

Zaobserwowano, że jeśli wzrośnie ilość cząstek stałych i ciekłych w atmosferze, które mogą być jądrami kondensacji, to utworzone chmury mają więcej, ale mniejszych kropel. Liczba i rozmiar kropli są istotnymi czynnikami przy powstawaniu opadu oraz decydują o własnościach optycznych chmury (wpływ aerozoli na chmury jest nazywany "efektem pośrednim").

Działalność ludzka jest ważnym źródłem cząstek stałych i ciekłych w atmosferze, więc ludzie mają wpływ na ilość i cechy charakterystyczne chmur.

Spójrz na ryc. 3. Przedstawia ona smugi kondensacyjne nad doliną Rodanu we Francji. Często możemy obserwować te chmury tworzące się za lecącym samolotem. Są zbudowane z kryształków lodu, które tworzą się gdy temperatura powietrza spada poniżej -40°C. Ocenia się, że te chmury występują nad 0,1% powierzchni Ziemi.

O tej stronie:

Autor: J. Gourdeau, LAMP Clermont-Ferrand, Francja
Recenzent: Dr Paolo Laj, LaMP, Francja
Ostatnia aktualizacja: 2004-04-21
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków