Uusi tieto mikropisaroiden pintajännityksestä voi tarkentaa ilmastomalleja

Ilmakehän pienhiukkaset jäähdyttävät ilmastoa sirottamalla auringon säteilyä, mikä osaltaan hillitsee kasvihuonekaasujen lämmittävää vaikutusta. Pienhiukkaset voivat myös toimia pilvien tiivistymisytiminä, jolloin niiden lukumäärä ja koostumus vaikuttavat muodostuvien pilvien heijastavuuteen. Tämän jäähdyttävän vaikutuksen suuruus on toistaiseksi ollut suurin yksittäinen epävarmuustekijä ilmastomalleissa.

Tärkein pilvipisaran muodostumiseen vaikuttava tekijä on pisaran pintajännitys, joka malleissa oletetaan yleensä puhtaan veden pintajännitykseksi. Kuitenkin tiedetään, että ilmakehän pienhiukkaset sisältävät pinta-aktiivisia aineita, jotka alentavat muodostuvan pisaran pintajännitystä saippuan tavoin.

Oulun yliopiston ATMOS-tutkimusryhmän ja Bristolin yliopiston kemian laitoksen tekemässä tutkimuksessa mitattiin ensimmäistä kertaa mikrometrikokoisten, pinta-aktiivisia aineita sisältävien pisaroiden pintajännitystä. Tulokset osoittavat, että tällaisten pisaroiden pintajännitys on merkittävästi alhaisempi kuin puhtaan veden. Pisaroiden pintajännitys ei kuitenkaan ole niin matala kuin pinta-aktiivisten aineiden kokonaispitoisuudesta voisi päätellä, vaan sen tarkka arvo riippuu koostumuksen lisäksi pisaran koosta.

Pienten pisaroiden pintajännitys riippuu voimakkaasti pinta-aktiivisten molekyylien jakautumisesta pisaran pinnan ja sisuksen välillä. Teoreettisesti tämä ilmiö ennustettiin jo 1990-luvulla, mutta sen merkityksestä on ollut erilaisia arvioita ilmakehätutkijoidenkin parissa.

Ilmiön kuvaamiseksi ATMOS-ryhmässä on kehitetty mallinnusmenetelmä, jonka avulla on myös voitu arvioida sen merkitystä maapallon säteilytasapainolle. Tässä uudessa tutkimuksessa saatiin ensimmäinen suora kokeellinen varmistus tälle mallille laboratoriomittauksista. Massatasapainoon perustuvat jakaumalaskut pisaroitten koostumukselle ja pintajännitykselle vastasivat hyvin kahden sulautuvan pisaran holografista kuvantamista hyödyntäviä laboratoriomittauksia. Tarkkailemalla syntyvän pisaran värähtelyjä mittauksista pystyttiin määrittämään pisaran pintajännitys. Samaa mallia voidaan käyttää kuvaamaan myös pilvipisaroiden muodostumista ilmakehässä, mikä tulee tarkentamaan tulevia ilmastoennusteita.

Tutkimus The surface tension of surfactant-containing, finite volume droplets julkaistaan arvostetussa tieteellisessä sarjassa Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) tällä viikolla (DOI 10.1073/pnas.1915660117).

Tutkimus on osa apulaisprofessori Nønne Prislen Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) rahoittamaa SURFACE – the unexplored world of aerosol surfaces and their impacts -hanketta.