Aerosoler, klimatförändringar och Plancks lags dramatiska misslyckande

1991 släppte utbrottet av Mount Pinatubo i Filippinerna ut cirka 20 miljoner ton svaveldioxid i den övre atmosfären. Svaveldioxid reagerar med andra ämnen för att producera luftburna nanopartiklar som kallas sulfataerosoler, som tenderar att reflektera solljus.

Följaktligen, under de två åren efter utbrottet, sjönk den globala temperaturen med ungefär en halv grad.

Effekten av aerosoler på jordens klimat är oerhört viktig men förbluffande komplex. Förutom att kyla jorden tenderar vissa aerosoler, såsom sot, att absorbera solljus och på så sätt värma upp atmosfären.

En enormt framstående fråga inom klimatvetenskapen är hur dessa processer av värmeabsorption och reflektion balanserar ut.

En del av problemet är att ingen förstår hur nanopartiklar absorberar och avger värme. I teorin styrs denna process av Plancks lag, som beskriver mängden elektromagnetisk strålning som sänds ut av en perfekt svart kropp vid en given temperatur.

Men i praktiken avger verkliga objekt inte värme perfekt så fysiker måste tillämpa en korrektionsfaktor som kallas spektral emissivitet. Detta beror på egenskaperna hos objektets yta – dess material och grovhet, till exempel.

Under de senaste åren har dock lockande bevis dykt upp som indikerar att ett föremåls form och volym också kan spela en roll i denna process.

Idag visar Christian Wuttke och Arno Rauschenbeutel vid Wiens tekniska universitet i Österrike för första gången hur och varför detta stämmer.

De påpekar att när ett föremål är stort jämfört med våglängden på den strålning det avger, då dominerar yteffekterna. Men när ett föremål är litet jämfört med våglängden, kan strålning sändas ut från vilken punkt som helst inom dess volym. I så fall måste partikelns geometri spela en roll.

För att bevisa poängen mätte de värmen som utstrålades av en kiselnanofiber med en diameter på 500nm, vilket är mycket mindre än värmestrålningens våglängd.

De visar att denna värmeemission inte kan beskrivas av Plancks lag, även när en korrektionsfaktor tillämpas.

Istället modellerar Wuttke och Rauschenbeutel resultatet exakt med hjälp av en annan teori som kallas fluktuationselektrodynamik, som tar hänsyn till experimentets geometri.

I själva verket visar de att fluktuationselektrodynamik exakt kan modellera värmeabsorptions- och emissionsegenskaperna för nanoobjekt, första gången detta har varit möjligt.

Det kommer att få viktiga konsekvenser för tillverkningen av värmeavgivande anordningar som glödlampor, som skulle kunna göras mycket mer energieffektiva om deras värmeemission kontrollerades mer noggrant.

Men den största effekten kommer sannolikt att finnas inom klimatvetenskapen. Dessa resultat kan också leda till en bättre förståelse för påverkan av partiklar, såsom aerosoler av mineraldamm från jorderosion och sot från förbränningskällor, på klimatsystemet via absorption och utsläpp av sol- och värmestrålning, säger Wuttke och Rauschenbeutel.

Detta nya tillvägagångssätt innebär att det borde vara möjligt att utarbeta individuella nanopartiklars termiska egenskaper utifrån första principer.

Det kommer att bli en lång och komplex process, men det borde vara en avgörande byggsten i framtida modeller av hur aerosoler påverkar klimatet.

Ref: arxiv.org/abs/1209.0536 : Undersöker Plancks lag för ett objekt som är tunnare än den termiska våglängden

Dölj