Det er utfordrende nok å forstå dråpedannelse i ren vanndamp, ved de strengt kontrollerte forholdene som finnes i et laboratorium. I atmosfæren dannes dråper i nærvær av mange andre stoffer enn kun vann.
Noen av dem, som nitrogen, oksygen og argon, påvirker i liten grad oppførselen til vann, og er derfor enkle å inkludere i modellene. Utfordringene oppstår på grunn av overflateaktive stoffer, nemlig stoffer som foretrekker å oppholde seg på dråpens overflate.
Et eksempel på et overflateaktivt stoff er etanol, som finnes i øl, vin, champagne og andre alkoholholdige drikker. I en dråpe champagne hoper etanolmolekylene seg opp på overflaten mellom væske og gass og senker overflatespenningen drastisk.
Du har sett vannets overflatespenning i aksjon hvis du har sett en vanndråpe på en hard overflate. Vannmolekylene tiltrekkes mer til hverandre enn til molekylene i luften, noe som får de til å klamre seg sammen, som igjen får vannet til å trekke seg sammen og bli kuleformet.
SINTEF-forsker Ailo Aasen, som nylig fullførte sin doktorgrad ved NTNU, jobbet blant annet med dannelse av dråper og bobler, også kalt nukleering, når urenheter er til stede. Resultatene som ble publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Physical Review Letters, er viktige for mange forskjellige industrielle prosesser, men spesielt for atmosfærevitenskap og avanserte modeller som kan forutsi klimaendringer.
Problemene med den klassiske teorien
Vanndråper dannes ikke spontant. For at en vanndråpe skal kunne dannes i atmosfæren, må et visst antall vannmolekyler tilfeldigvis kollidere med hverandre for å danne en kime, eller "nukleus", for dråpen. Denne kimen er faktisk en bitte-liten dråpe som kan være mindre enn en nanometer. Disse nanodråpene dannes ofte rundt støvpartikler, og overflateaktive urenheter vil hope seg opp på dråpens overflate.
"Et av de viktigste målene med den klassiske nukleerings-teorien er å forstå egenskapene til denne kritiske dråpekimen.", forteller Ailo. "I en regndråpe er vannmolekylene av to typer: de som er inne i dråpen, og de på overflaten. En dråpe er omtrent kuleformet, slik at vannmolekylene på overflaten har færre naboer enn de inni dråpen. Jo mindre en dråpe er, jo større andel av molekylene i befinner seg i overflatelaget."
Dråpekimen må nå en kritisk størrelse for å fortsette å vokse, fordi den må overvinne overflatespenningen, som er et resultat av færre antall molekyler på utsiden av dråpen. Jo mindre overflatespenning, jo lettere er det for dråpen å danne seg. Ifølge Ailo er det her urenheter kan utgjøre en stor forskjell:
“Overflateaktive urenheter reduserer overflatespenningen mellom dråpen og luften. Vi ser at ørsmå konsentrasjoner av en overflateaktiv urenhet kan dramatisk øke hastigheten på dråpedannelse siden de senker overflatespenningen så mye. Siden overflateaktive substanser som svovelsyre og ammoniakk kan være til stede i lave konsentrasjoner under dannelse av regndråper i skyer, vil disse funnene være viktige input til værmeldinger og klimamodeller.”
Tar hensyn til krumning
Klassisk nukleerings-teori feiler spektakulært når overflateaktive urenheter er til stede. For eksempel, hvis vanndråper dannes i nærvær av etanol, kan prediksjonene for raten av dråpedannelse være feil med mer enn en faktor på 10^20. Med andre ord: den klassiske teorien predikerer at 10^20 (1 etterfulgt av 20 nuller) færre dråper dannes enn hva forskere faktisk måler i eksperimenter. For å sette dette tallet i sammenheng er antall stjerner i Melkeveien omtrent 10^11 (1 fulgt av 11 nuller) – en milliard ganger lavere.
I tillegg til å være veldig unøyaktig, gir den klassiske teorien resultater som er fysisk umulige. I noen tilfeller, for eksempel for blandinger av vann og etanol, gir teorien et negativt antall vannmolekyler i dråpen, noe som selvfølgelig er umulig.
Hypotesen bak Aasens forskning var at disse uoverensstemmelsene stammer fra en antagelse i teorien som anser dråpekimen som kuleformet, men med samme overflatespenning som en helt flat overflate.
"En del av problemet her er at det er veldig vanskelig å estimere hvordan overflatespenningen oppfører seg under nukleering, så den klassiske teorien antar simpelthen at overflatespenningen i en dråpe er den samme som for en flat overflate, noe som forenkler beregningene", forklarer Ailo.
De bittesmå dråpekimene som dannes i atmosfæren er ofte bare noen få nanometer store og er derfor svært krummede. Å anta at dråpekimene har samme overflatespenning som en helt flat overflate er en viktig grunn til at den klassiske teorien ikke alltid fungerer.
Ailo og kollegene brukte en sofistikert modell for dråpeflaten, kombinert med en nøyaktig termodynamisk modell for væsken og gassen, for å forbedre den klassiske teorien.
Ved å inkludere en mer nøyaktig modell for overflatespenningen i teorien som tar hensyn til hvor krum dråpen er, klarte de å forene de teoretiske prediksjonene av nukleeringsrater med de som faktisk blir observert i eksperimenter. De reduserte avviket mellom teori og eksperimenter fra mer enn 20 til mindre enn 2 størrelsesordener. De rare, fysisk umulige resultatene som kom fra den klassiske teorien forsvant også.
Aasen ble veiledet av Øivind Wilhelmsen som jobber på SINTEF og NTNU. Øivind sitt arbeid fra 2016 dannet grunnlaget for den nye forskningen. Han tror den grunnleggende forståelsen av dråpedannelse og en prosedyre for modellering av den kan gi fordeler som strekker seg langt utover klimamodeller: “Denne teorien og rammeverket har potensialet til å forbedre beskrivelsen og forståelsen av mange fenomener i årene som kommer, fra en rekke industrielle prosesser til vulkanutbrudd.”
Arbeidet ble gjort i samarbeid med professor David Reguera fra Universitetet i Barcelona.
