Advanced

Experimental Studies of the Interaction of Atmospheric Aerosol Particles with Clouds and Fogs

Frank, Göran LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I atmosfären finns förutom olika gaser, såsom kväve, syre, vattenånga och en mängd gaser i låga koncentrationer, även partiklar. Dessa partiklar kallas aerosolpartiklar och de kan hålla sig svävande upp till flera veckor innan de deponeras till marken igen. Moln- och dimmdroppar bildas i atmosfären genom att vattenånga kondenserar på aerosolpartiklar. Detta kan ske då luften blir mättad på vattenånga, vilket sker då relativa luftfuktigheten är tillräckligt hög (över 100%). Luften kan bli mättad på vattenånga till exempel då en varm luftmassa stiger och därmed expanderar (luftmassans volym blir större), på grund av det lägre trycket högre upp. Under expansionen avkyls luften vilket medför att... (More)
Popular Abstract in Swedish

I atmosfären finns förutom olika gaser, såsom kväve, syre, vattenånga och en mängd gaser i låga koncentrationer, även partiklar. Dessa partiklar kallas aerosolpartiklar och de kan hålla sig svävande upp till flera veckor innan de deponeras till marken igen. Moln- och dimmdroppar bildas i atmosfären genom att vattenånga kondenserar på aerosolpartiklar. Detta kan ske då luften blir mättad på vattenånga, vilket sker då relativa luftfuktigheten är tillräckligt hög (över 100%). Luften kan bli mättad på vattenånga till exempel då en varm luftmassa stiger och därmed expanderar (luftmassans volym blir större), på grund av det lägre trycket högre upp. Under expansionen avkyls luften vilket medför att relativa luftfuktigheten ökar för att i vissa fall så småningom nå övermättnad.



Aerosolpartiklar finns i luften i varierande koncentrationer. Typiska värden kan vara cirka 100 miljoner partiklar per kubikcentimeter luft i cigarettrök eller rök från en skorsten, cirka 10 000 till 100 000 partiklar per kubikcentimeter luft i stadsmiljö, cirka 1000 partiklar per kubikcentimeter luft på landsbygden, cirka 100 partiklar per kubikcentimeter luft i arktiska områden och cirka 1 partikel per kubikcentimeter luft i renrum av klass 1. Helt partikelfri luft kan knappast uppbringas. Vi kan sällan se partiklarna, på grund av deras små storlekar, utom i vissa fall, till exempel rök då det är mycket höga koncentrationer eller dimma och moln då dropparna är relativt sett ganska stora.



Aerosolpartiklars storlek varierar inom ett stort område. De minsta partiklarna är cirka 1 nanometer (miljondels millimeter) i diameter medan de största är cirka 100 mikrometer (tusendels millimeter) i diameter, det vill säga 0,1 millimeter. Partiklar som är mindre än 1 nanometer är kemiskt instabila och faller snabbt sönder igen medan partiklar större än 100 mikrometer är så tunga att de snabbt faller till marken igen och då inte räknas som aerosolpartiklar.



Aerosolpartiklar bildas både naturligt och genom mänsklig verksamhet. Naturliga partikelkällor är till exempel vinduppblåst fint damm, biologisk aktivitet (exempelvis växter som producerar pollen och annat växtmaterial, virus och bakterier som virvlar runt i luften), saltpartiklar som bildas då droppar av havsvatten blåses upp av vindar och sedan torkar. Även naturliga skogs- och savannbränder bildar partiklar. Källor från mänsklig verksamhet är mestadels utsläpp från olika typer av förbränning, exempelvis från kraftverk, vedeldning, oljeeldning, bilar. Utsläpp från förbränning kan ske både i partikelform och i gasform. Många gaser kan vara mycket heta och när de avkyls i luften övergår de till fast eller vätskeform, det vill säga bildar partiklar. Andra gaser som släpps ut kan förändras i atmosfären genom de omfattande kemiska processer som ständigt pågår. Ett exempel är gasen svaveldioxid som släpps ut vid bland annat förbränning. Svaveldioxid kan genom kemiska rektioner i atmosfären ombildas till sulfat, som ofta bildar partiklar.



Om man ser till antalet partiklar i atmosfären, är de partiklar som bildats genom gasers övergång till partikelform övervägande. Detta betyder att partiklar bildade genom mänsklig verksamhet ofta är flest till antalet. Dessa partiklar tillhör dock de minsta storlekarna medan de naturligt bildade partiklarna ofta tillhör de största storlekarna. Om man i stället jämför totala massan, så har därför ofta de naturligt bildade partiklarna den största massan.



Som nämndes i inledningen bildas moln- och dimmdroppar då vattenånga kondenserar på atmosfärens aerosolpartiklar. Detta kallas att partiklarna agerar som kondensationskärnor. Det är inte alla aerosolpartiklar som kan bli kondensationskärnor. Det som styr detta är dels partikelns storlek och dels dess kemiska sammansättning. Vanligtvis är de flesta kondensationskärnorna i storleksordning 0,1 till 1 mikrometer. När vattenånga kondenserar växer partikeln och blir en droppe eller en ispartikel (beroende på temperaturen), oftast till en storlek som är betydligt större än kondensationskärnorna. Moln- och dimmdroppar är vanligen någon till några tiotals mikrometer. Detta betyder att storleken kan växa 10 till 100 gånger i diameter räknat och räknat i volym 1000 upp till 1 miljon gånger. Det är således en mycket stor volymökning som sker.



För att ett moln skall börja regna krävs dock att regndroppar eller snöflingor bildas och dessa är vanligen omkring 1 millimeter i diameter. Nederbörd bildas genom att molndroppar eller ispartiklar kolliderar med varandra och växer. I genomsnitt krävs att 1 miljon molndroppar slår sig ihop för att bilda en regndroppe. Av alla moln som bildas är det i genomsnitt bara vart tionde moln som avger nederbörd. Med andra ord växer en partikel till molndroppe i snitt nio gånger innan den slutligen kommer att ingå i en regndroppe eller snöflinga och kan försvinna ur atmosfären. De moln som inte avger nederbörd torkar ut igen vilket sker genom att vattnet avdunstar och små partiklar återfås. Dessa partiklar kan vara något förändrade jämfört med de partiklar som ursprungligen var kondensationskärnor. Detta beror på att kemiska reaktioner ofta sker i molndropparna och partiklarnas storlek kan då öka något och deras kemiska sammansättning kan förändras något.



Nederbörd är en viktig reningsmekanism för luften i atmosfären. Eftersom partiklar fungerar som kondensationskärnor försvinner dessa partiklar vid nederbörd. Även gaser och partiklar som finns under molnet kan sköljas ur av nederbörd.



I denna doktorsavhandling presenteras resultat från studier av moln- och dimmdroppsbildning med målsättning att bättre förstå vad som påverkar de ingående processerna samt även hur molnen påverkas av det förhöjda antalet aerosolpartiklar i luften, som följd av ökade utsläpp. Huvudsakligen studerades moln och dimmas egenskaper (främst droppstorlek och antal samt dropparnas kemiska sammansättning) som funktion av aerosolpartiklarnas egenskaper (storlek, antal, kemisk sammansättning med mera). Även yttre omständigheter, såsom graden av övermättnad, mängden tillgänglig vattenånga och processens hastighet påverkar droppbildning, och detta studerades också. Flera fältexperiment har genomförts och både moln och dimma har studerats. Dimma studerades vid ett experiment i norra Italien hösten 1994. Moln har studerats vid två fältstudier på bergstoppar, en studie på ett berg i norra England våren 1995 och en studie på ett berg på Kanarieön Teneriffa i Spanien, sommaren 1997.



Dessutom presenteras i avhandlingen vidareutveckling av ett instrument som byggts just för studier av molndroppsbildning. Instrument kallas droppaerosolanalysator (DAA) och har egenskaper som inget annat instrument just nu kan uppvisa. DAA:n samlar in moln- eller dimmdroppar, mäter storleken på dessa droppar som därefter torkas, varvid torra partiklar återstår. Sedan mäts storleken av dessa torra partiklar och antalet partiklar av respektive storlek räknas. Detta ger en unik koppling för varje individuell droppe, mellan droppens storlek, den torra partikelns storlek och antalet partiklar av respektive storlek. Med hjälp av dessa uppmätta egenskaper kan flera andra viktiga egenskaper för molnet eller dimman studeras.



Instrumentet bygger på principen att molndroppar i en laddare laddas elektriskt som funktion av deras storlek. När dropparna torkas ut behåller de sin laddning. Genom att mäta laddningen för den torra partikeln och sedan den torra partikelns storlek kan molndroppens storlek beräknas. Slutligen räknas antal partiklar i en partikelräknare. Både laddningen hos molndroppen och storleken för den torra partikeln mäts i ett instrument som kallas elektrisk mobilitetsanalysator och detta instrument böjer av partiklar i ett elektriskt fält. Avböjningen beror dels på laddningen och dels på storleken hos partikeln och på så sätt kan partiklar med en viss storlek och en viss laddning separeras ut.



De resultat som erhållits från experimenten har delvis kastat nytt ljus på både dimmors och molns egenskaper. Våra resultat från dimmexperimentet har visat att dimma kan se ganska annorlunda ut jämfört med moln, när man studerar storlekarna för dropparna. I den dimma som studerats fanns droppar i ett brett storleksintervall, mätområdet var 1 till 47 mikrometer i diameter men droppfördelningen fortsatte med all säkerhet nedåt i storlek i en kontinuerlig fördelning. I de moln som studerats var molndropparna ofta separerade storleksmässigt från de partiklar som inte växt till molndroppar. I ett exempel var molndropparna av storleken 5 till 20 mikrometer och de mindre partiklarna och dropparna, som ej växt till molndroppar, av storleken mindre än 1 mikrometer. I området 1 till 5 mikrometer fanns inte några droppar alls.



I de moln som studerats har ett starkt samband mellan antalet molndroppar och antalet aerosolpartiklar verifierats. Ju större antal partiklar det fanns desto större antal molndroppar bildades. Detta samband har tidigare inte kunnat påvisas lika klart och tydligt. Storleken för de bildade molndropparna varierade också som funktion av antalet aerosolpartiklar, men omvänt. Ju större antal aerosolpartiklar desto större antal molndroppar men molndropparna blev då av mindre storlek. Detta kan förklaras med att mängden vattenånga är begränsad och molndropparna kan inte växa lika mycket i storlek då de är många till antalet. Resultaten från våra experiment har härigenom givit värdefulla kunskaper om moln. Effekterna har diskuterats teoretiskt tidigare och de har stor betydelse för molnens optiska egenskaper, vilket påverkar reflektion och absorption av solstrålning och jordens utstrålning av värme. Detta påverkar jordens strålningsbalans och därmed klimatet. Sambanden är dock inte fullt utredda och mer forskning är nödvändig för att klarlägga dessa. (Less)
Abstract
In this work, cloud and fog droplet formation was studied in three joint field experiments. The instrument, the droplet aerosol analyser (DAA), has also been further developed and verified as part of this work. The DAA is an instrument especially developed for studies of cloud and fog droplet formation and growth. It measures the ambient size of individual droplets and interstitial particles in a fog or a cloud. It then measures the size of the individual dry residual particles after evaporation of the water. It also counts the number of dry particles of each size, which gives a unique three-parameter data set that connects ambient size to dry size and to the number of particles. Having access to these parameters, a number of related... (More)
In this work, cloud and fog droplet formation was studied in three joint field experiments. The instrument, the droplet aerosol analyser (DAA), has also been further developed and verified as part of this work. The DAA is an instrument especially developed for studies of cloud and fog droplet formation and growth. It measures the ambient size of individual droplets and interstitial particles in a fog or a cloud. It then measures the size of the individual dry residual particles after evaporation of the water. It also counts the number of dry particles of each size, which gives a unique three-parameter data set that connects ambient size to dry size and to the number of particles. Having access to these parameters, a number of related aerosol/cloud parameters can be determined, whereof the microstructure, i.e. the size and number of droplets and their size distribution, characterisation of the droplet activation, as defined by the Köhler equation, and the size-dependent cloud droplet nucleation scavenging of particles due to activation, are the most important.



The results from one fog experiment showed that, most of the time fog consisted of unactivated droplets with a continuous size distribution in the size region 1-47 µm in diameter. There were no gaps generated by the droplet activation process, as has been observed in clouds. In the two ground-based cloud experiments, cloud droplet number concentrations increased almost linearly with particle number concentration. Droplet concentrations of up to 2000 per cubic centimetre in an experiment in northern England and up to almost 3000 per cubic centimetre in an experiment on Tenerife, Spain, were observed, thus demonstrating the influence of air pollution on cloud microstructure. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Kulmala, Markku, Div. of Atmospheric Sciences, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki, P.O. Box 64, FIN-00014 University of Helsinki, Finland
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
unipolar charger, Physics, DMA, differential mobility analyser, DAA, droplet aerosol analyser, fog microstructure, cloud microstructure, fog droplet, cloud droplet, cloud, fysisk instrumentering, fog, Metrologi, physical instrumentation, Metrology, Kärnfysik, Nuclear physics, Fysik, Fysicumarkivet A:2001:Frank
pages
156 pages
publisher
Div. of Nuclear Physics, Dept. of Physics, Lund Institute of Technology, Lund University, P.O. Box 118, SE-221 00 Lund, Sweden,
defense location
Lecture room F, Dept. of Physics, Lund University
defense date
2001-12-13 13:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUTFD2/(TFKF-1027)/1-156/(2001)
ISBN
91-7874-169-6
language
English
LU publication?
yes
id
0542e3b4-e0a7-4f30-9eed-f9c4d9d6adcc (old id 42217)
alternative location
http://nuclearphysics.pixe.lth.se/theses/gf.asp
date added to LUP
2007-06-21 10:39:37
date last changed
2016-09-19 08:45:06
@misc{0542e3b4-e0a7-4f30-9eed-f9c4d9d6adcc,
  abstract     = {In this work, cloud and fog droplet formation was studied in three joint field experiments. The instrument, the droplet aerosol analyser (DAA), has also been further developed and verified as part of this work. The DAA is an instrument especially developed for studies of cloud and fog droplet formation and growth. It measures the ambient size of individual droplets and interstitial particles in a fog or a cloud. It then measures the size of the individual dry residual particles after evaporation of the water. It also counts the number of dry particles of each size, which gives a unique three-parameter data set that connects ambient size to dry size and to the number of particles. Having access to these parameters, a number of related aerosol/cloud parameters can be determined, whereof the microstructure, i.e. the size and number of droplets and their size distribution, characterisation of the droplet activation, as defined by the Köhler equation, and the size-dependent cloud droplet nucleation scavenging of particles due to activation, are the most important.<br/><br>
<br/><br>
The results from one fog experiment showed that, most of the time fog consisted of unactivated droplets with a continuous size distribution in the size region 1-47 µm in diameter. There were no gaps generated by the droplet activation process, as has been observed in clouds. In the two ground-based cloud experiments, cloud droplet number concentrations increased almost linearly with particle number concentration. Droplet concentrations of up to 2000 per cubic centimetre in an experiment in northern England and up to almost 3000 per cubic centimetre in an experiment on Tenerife, Spain, were observed, thus demonstrating the influence of air pollution on cloud microstructure.},
  author       = {Frank, Göran},
  isbn         = {91-7874-169-6},
  keyword      = {unipolar charger,Physics,DMA,differential mobility analyser,DAA,droplet aerosol analyser,fog microstructure,cloud microstructure,fog droplet,cloud droplet,cloud,fysisk instrumentering,fog,Metrologi,physical instrumentation,Metrology,Kärnfysik,Nuclear physics,Fysik,Fysicumarkivet A:2001:Frank},
  language     = {eng},
  pages        = {156},
  publisher    = {ARRAY(0xa7f7f20)},
  title        = {Experimental Studies of the Interaction of Atmospheric Aerosol Particles with Clouds and Fogs},
  year         = {2001},
}