zondag 29 januari 2017

Verbeterde voedselproductie (3a): beinvloeden bomen de vorming van wolken I?

Wolkenvorming vindt plaats doordat waterdamp van fase verandert: de waterdamp condenseert tot waterdruppels of desublimeert /rijpt tot ijs. Dit kan alleen plaatsvinden als er condensatie en rijpingskernen zijn. Verschillende deeltjes kunnen hiervoor worden gebruikt: vaste stoffen die door de wind worden meegenomen, zoals klei/zand/stof, nevel, zoutkristallen, roet, pollen, sporen van schimmels etc. Sinds 2004 weten we echter dat ook bomen chemicalien produceren die neerslagkernen kunnen worden. Hoe het nu zit met neerslag vorming, mede ook in relatie tot bomen, daar wil ik in deze blog meer naar kijken.

Rijping / desublimatie

Als er waterdamp in de lucht aanwezig is, de temperatuur laag genoeg is en er ijskernen aanwezig zijn, kan de waterdamp desublimeren rondom deze ijskernen.
Uitgebreid onderzoek laat echter zien dat de effectiviteit van ijskernen sterk afhangt van het soort ijskern. Onderstaande figuur laat dat duidelijk zien. Het laat het aantal nucleaties (faseovergangen van gas naar vloeibaar of vaste vorm) zien van verschillende typen ijskernen bij verschillende temperaturen.

Nucleaties per type ijskern bij verschillende temperaturen
Bron: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/cs/c2cs35200a
Desublimatie vind plaats als het vriest. Bij temperaturen beneden de -40 graden C is alle waterdamp gedesublimeert er in er geen waterdamp meer in de lucht aanwezig.
De mate van desublimatie hangt sterk af van het type ijskern. De meest effectieve ijskern zijn INA-proteinen  geproduceert door de bacterie Pseudomonas syringae.  Andere ijskernen van biologische oorsprong zijn afkomstig van berkenpollen, algen en schimmels.
Ook in de lucht aanwezige stof deeltjes, afkomstig van bijvoorbeeld woestijnen kunnen als ijskern functioneren. Lang is gedacht dat deze stof deeltjes belangrijke condensatie kernen zijn, onderzoek laat echter zien dat de bijdrage van stof in condenstatiekernen beperkter is dan gedacht: minder dan 1 op 1000 stofdeeltjes fungeert als condenstatiekern.

Plantaardige materialen, zoals theeblad resten kunnen ook als ijskern fungeren, ze blijken al desublimatie te kunnen geven bij -5 graden C en kunnen veel hagel tot gevolg hebben. Lokaal Keniaans bos blijkt ijskernen te produceren die kunnen desublimeren rond -8 graden C en Eucaliptus blad afval kan ijskernen produceren die desublimaren rond -11 graden C. Het chemisch zaaien van regen met zilver jodide ijskernen geeft desublimatie tussen -8 en -10 graden C.
Kortom, de mate waarin desublimatie plaatsvindt hangt sterk af van de beschikbare ijskern. Het lijkt dat plantaardige materialen zodanig zijn, dat ze bij relatief hoge temperaturen al tot desublimatie leiden en dus wolkenvorming in minder afgekoelde luchtlagen tot gevolg kunnen hebben.

Condensatie

Condensatie van waterdamp is een proces wat veel geleidelijker plaatsvind. De regendruppels moeten groeien van 1 water molecuul tot een regendruppel die kan vallen en daar zijn verschillende stappen voor nodig (zie onderstaande figuur). Als het deeltje een bepaalde grootte heeft bereikt kan het echter ook weer kleiner worden doordat er dan bijvoorbeeld water uit kan verdampen.

Proces van groei van neerslagkernen
Bron: http://www.dwd.de/EN/research/observing_atmosphere/composition_atmosphere/aerosol/cont_nav/particle_size_distribution.html
Allerlei verschillende stoffen van verschillende grootte kunnen condensatiekern zijn. SO2 gas dat vanuit vulkanen wordt uitgestoten, zeezout boven de zee en in kustgebieden, roet, kleideeltjes etc.
In 2004 is ontdekt dat planten en bomen ook invloed hebben op wolkenvorming: planten produceren zogeheten VOC's die kunnen oxideren tot condensatiekernen.

Relatie tussen VOC en aerosol productie
Bron: http://www.dwd.de/EN/research/observing_atmosphere/composition_atmosphere/trace_gases/cont_nav/voc_node.html
Hoe warmer het wordt, hoe meer VOC planten gaan produceren. In het algemeen geldt, dat hoe meer stress de plant ondervind hoe meer VOC's worden geproduceerd.
De universiteit van Lancaster heeft een lijst gepubliceerd met de huidige stand van de kennis omtrent de VOC productie van planten en bomen.

Impact van VOC productie door bossen

De impact van het feit dat planten en bomen voor hun eigen wolken kunnen zorgen is enorm. Planten en bomen zorgen zelf voor de waterdamp in de lucht. Tegelijkertijd kunnen ze dus ook zorgen dat deze waterdamp condenseert tot wolken. Hiermee kunnen ze dus zorgen dat het water wat verdampt benedenwinds tot regen leidt. Voor regionale water recycling op het vaste land is dit dus een belangrijk iets om rekening mee te houden.
Daarnaast neemt de VOC productie exponentieel toe met de stijging van de temperatuur. Hierdoor kunnen ook exponentieel meer condensatiekernen ontstaan. Volgens Rice Universiteit in Texas geldt, dat hoe meer condensatiekernen aanwezig zijn, hoe meer kleinere druppels worden gevormd. Omdat er echter veel meer kleinere druppels zijn, blijven de wolken langer hangen. Hierdoor kunnen ze ook meer zonlicht weerkaatsten.

Impact van grootte van regendruppels op weerkaatsing door wolken
Bron: http://earth.rice.edu/mtpe/atmo/atmosphere/topics/aerosols/aero_clouds.html


Bossen zijn hiermee dus in staat om te zorgen voor regionale water recycling en zijn in staat om een belangrijke stressfactor (hoge temperatuur) te verminderen.

Geen opmerkingen: