VÆR OG KLIMA: Når du ser hvor feil selv værmeldingen for neste uke kan bli, kan du jo tenke deg hvilke utfordringer forskere som vil forutsi været om flere tiår kan støte på.
Klimaforskere må ha gode modeller for å se hvordan klimaet endrer seg over lang tid. Men for å vite hvordan klimaet på Jorda forandrer seg, må vi også forstå hvordan vanndråper oppfører seg.
Lars Onsager
- 1903-1976
- Nobelprisvinner i kjemi 1968
- Sivilingeniør fra NTH, en av NTNUs forgjengere. Tilknyttet Johns Hopkins, Brown og Yale
- Les mer på nobelprize.org
– Vi er nå i stand til å beskrive nøyaktig hvordan masse og energi transporteres over både plane og krummede vannoverflater, sier forsker Øivind Wilhelmsen ved SINTEF Energi.
Forskningen skjer innenfor feltet irreversibel termodynamikk. Utgangspunktet er en videreutvikling av den norske nobelprisvinneren Lars Onsagers teorier. (Se faktaboks.)
Dette høres komplisert ut, og er det også for de fleste av oss. Men det er av grunnleggende betydning, ikke bare for å kunne si hvordan morgendagens vær blir, men også hvordan vær og klima kommer til å endre seg i framtiden.
Vannets kretsløp og nedbør er blant de største usikkerhetsmomentene i dagens klimamodeller.
- Les også: Store oppdagelser om små partikler
Hvordan vanndråper vokser
– Vann fordamper hele tiden fra hav, elver og innsjøer. Deretter dannes skyer i atmosfæren. I skyene formes bittesmå dråper som etter hvert faller ned som regn når de har vokst seg store nok. Hvor hurtig disse prosessene skjer, hvor store skyene blir og når regnet faller er alt avhengig av hvordan masse og energi transporteres over vannoverflater, forklarer Wilhelmsen.
I skyene formes bittesmå dråper som etter hvert faller ned som regn når de har vokst seg store nok. Foto: Thinkstock
Noe av usikkerheten i værmeldinger og klimamodeller ligger altså akkurat i den grunnleggende forståelsen av disse transportprosessene, som inntil nå har manglet.
– Hvordan vanndråpene vokser, avhenger av overflatemotstandene som Wilhelmsen har beregnet, forklarer professor Signe Kjelstrup ved Institutt for kjemi ved NTNU.
Forskningen var del av Wilhelmsens doktorgradsarbeid, hvor Kjelstrup har vært veileder sammen med professor Dick Bedeaux.
- Les også: Leire kan brukes i karbonfangst
Svært anvendelig
Mange flere enn klimaforskere vil dra nytte av forskningen.
– Den virker generelt, og kan beskrive alt fra fordampning av store innsjøer til vekst av vanndråper som bare er noen nanometer store, sier professor Bedeaux.
Dampturbiner
- Omtrent 80 % av all elektrisiteten i verden genereres med dampturbiner.
- I kraftverk bruker man kull, naturgass, eller andre energikilder til å varme opp og fordampe vann.
- Vanndampen sendes deretter gjennom en dampturbin som driver en elektrisk generator, og dermed får vi elektrisitet. I denne prosessen er fordampning og kondensering av vann essensielt.
Resultatene kan brukes til å beskrive naturen rundt oss, gjennom for eksempel værmeldinger og klimamodeller. Men de gir oss også muligheten til å lage bedre modeller for å beskrive fordampning og kondensering i industrien. Et viktig eksempel er dampturbiner, som på verdensbasis er det viktigste prosessutstyret for å generere elektrisitet, for eksempel fra kull. (Se faktaboks.)
– Dette har i årevis vært en manglende puslespill-brikke i mange viktige prosesser, både i naturen og i industrien, forklarer Wilhelmsen.
– Det har uendelig mange anvendelser, og vi er interessert i at dette blir tatt i bruk, samstemmer Kjelstrup.
- Les også: Den brennende isens hemmeligheter
Begynte med lite
Forskerne begynte med fragmenter av beskrivelsen, uten at disse var satt i system. Første jobb var å finne den riktige sammenkoblingen. Det fantes ikke engang en tilfredsstillende beskrivelse for helt plane vannoverflater.
Vann er spesielt, og de særegne egenskapene til vann er en av grunnene til at vi har liv på jorda. Foto: Per Harald Olsen, NTNU
– Nå har vi til og med krummet dem, sier professor Kjelstrup entusiastisk.
Vann er spesielt, og de særegne egenskapene til vann er en av grunnene til at vi har liv på jorda. De spesielle egenskapene til vann gjorde at forskerne støtte på store utfordringer i arbeidet.
– Vi måtte ta i bruk alle verktøy vi hadde tilgjengelig, eksperimenter ved lave temperaturer, molekyldynamikk-simuleringer ved høye temperaturer og avansert teori for å koble det hele sammen. Arbeidet hadde ikke vært mulig for 10 år siden, sier Wilhelmsen.
Noe av utfordringen lå i at de relevante eksperimentene bare lot seg gjennomføre ved lave temperaturer. Ved høye temperaturer kunne forskerne bruke molekyldynamikk-simuleringer. I slike datasimuleringer etterligner forskerne vannmolekyler som vekselvirker med hverandre i en boks, og slik kan de gjenskape de spesielle egenskapene til vann ganske presist. Ved tilstrekkelig lave temperaturer blir simuleringene så regntunge at de ikke lar seg gjennomføre, selv på de kraftigste superdatamaskinene som finnes i dag. Avansert teori var nødvendig for å koble det hele sammen.
Saken fortsetter under Figur 1.
Figur 1 Fasediagrammet til vann, hvor linjene representerer faseoverganger der vann forandrer seg fra is til væske, fra is til damp eller fra damp til væske. Ved fordampning og kondensering av vann er man interessert i faseovergangen mellom væske og damp som her vises av den røde tykke linjen. Den røde sirkelen representerer det kritiske punktet, hvor vi ikke lenger kan skille mellom damp og væske. Ved lave temperaturer kan vi studere overflatemotstandene til vann ved å bruke eksperimenter, ved høye temperaturer kan vi bruke molekyldynamikk- simuleringer og i området mellom disse må vi bruke avansert teori (i boksen med stiplede liner). Illustrasjon: SINTEF Energi
Hvordan vanndråpenes krumning påvirker vær og klima
Når vanndråper først formes i atmosfæren er de veldig små. De må vokse seg nesten en million gang større før de faller ned som regndråper. Hvis vi kan si nøyaktig hvor fort vanndråper vokser ved gitte betingelser, kan vi forutsi når og hvor mye det kommer til å regne.
– Siden vanndråpene er veldig små når de først blir dannet, vil krumningen av overflaten deres ha mye å si for hvor hurtig de vokser, sier Wilhelmsen.
Stort sett vil vanndråpene vokse ved å absorbere vann fra atmosfæren og de vil være tilnærmet kuleformede under denne prosessen. Når vanndråpene har blitt litt større vil to vanndråper også kunne kollidere og slå seg sammen til en større dråpe.
– Nå kan vi kan også beskrive hvordan transport gjennom vannoverflaten skjer når vanndråper slår seg sammen. Her vil geometrien være mer komplisert, forklarer Bedeaux.
Figuren viser hvordan overflatemostanden ser ut akkurat i det to veldig små vanndråper slår seg sammen for å bli en større dråpe. Blått representerer her en høy overflatemotstand som betyr at det er vanskelig å transportere masse og varme inn eller ut av området hvor dråpene smelter sammen.
– Vanndråper som vokser ved å slå seg sammen er en viktig mekanisme som fører til regn i tropiske strøk, sier Wilhelmsen.
Saken fortsetter under Figur 2.
Figur 2 Et bilde av to vanndråper som slår seg sammen. Bildet til venstre viser et øyeblikksbilde fra en molekyldynamikk-simulering, hvor de små dottene representerer vannmolekyler. Bildet til høyre illustrerer overflatemotstanden for varmeovergang, hvor en mørkere farge betyr at mostanden er høy. Det er vanskeligst å transportere varme ut og inn av området akkurat der hvor dråpene smelter sammen. Illustrasjon: Øivind Wilhelmsen, SINTEF Energi
Grunnforskning
Forskerne ønsker å understreke at de driver med grunnforskning som gir helt grunnleggende, ny forståelse av prosesser vi har kjent i mange år. Men samtidig kan konsekvensene bli svært store.
– Vi har nå en ny bit av puslespillet. Denne biten kan brukes i klimamodeller og værmeldinger for å gi bedre beregninger, ikke bare for hvordan været blir i morgen, men også for hvordan vær og klima blir i framtiden. Det er viktig å redusere usikkerheten i dagens klimamodeller. Da kan vi lettere overbevise folk om at det super-viktig å handle så fort som mulig for å gjøre noe med den globale oppvarmingen, sier Wilhelmsen.
Forskningen er publisert i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Physical Review E og er et samarbeidsprosjekt med Institutt for Fluid Mekanikk i Tyskland ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Medforfattere er dr. Thuat T. Trinh, dr. Anders Lervik og dr. Vijay Kumar Badam, foruten professor Kjelstrup og professor Bedeaux.
Les mer fra artikkelen her: Coherent description of transport across the water interface: From nanodroplets to climate models. Øivind Wilhelmsen, Thuat T. Trinh, Anders Lervik, Vijay Kumar Badam, Signe Kjelstrup, and Dick Bedeaux. Phys. Rev. E 93, 032801
