Aerosoler, klimaændringer og Plancks lovs dramatiske fiasko

I 1991 frigav udbruddet af Mount Pinatubo i Filippinerne omkring 20 millioner tons svovldioxid i den øvre atmosfære. Svovldioxid reagerer med andre stoffer for at producere luftbårne nanopartikler kaldet sulfataerosoler, som har tendens til at reflektere sollys.

I de to år efter udbruddet faldt den globale temperatur derfor med omkring en halv grad.

Effekten af ​​aerosoler på jordens klima er enormt vigtig, men ufatteligt kompleks. Ud over at afkøle Jorden, har nogle aerosoler, såsom sod, tendens til at absorbere sollys og dermed varme atmosfæren op.

Et kæmpe udestående spørgsmål inden for klimavidenskab er, hvordan disse processer med varmeabsorption og refleksion balancerer.

En del af problemet er, at ingen forstår, hvordan nanopartikler absorberer og udsender varme. I teorien er denne proces styret af Plancks lov, som beskriver mængden af ​​elektromagnetisk stråling, der udsendes af et perfekt sort legeme ved en given temperatur.

Men i praksis udsender virkelige objekter ikke varme perfekt, så fysikere er nødt til at anvende en korrektionsfaktor kaldet den spektrale emissivitet. Dette afhænger af egenskaberne af objektets overflade - det er f.eks. materiale og ruhed.

I de senere år er der dog opstået fristende beviser, der indikerer, at et objekts form og volumen også kan spille en rolle i denne proces.

I dag viser Christian Wuttke og Arno Rauschenbeutel ved Wiens teknologiske universitet i Østrig for første gang, hvordan og hvorfor dette er sandt.

De påpeger, at når et objekt er stort i forhold til bølgelængden af ​​den stråling, det udsender, så dominerer overfladeeffekter. Men når et objekt er lille i forhold til bølgelængden, kan stråling udsendes fra ethvert punkt inden for dets volumen. I så fald skal partiklens geometri spille en rolle.

For at bevise pointen målte de varmen udstrålet af en siliciumnanofiber med en diameter på 500nm, hvilket er meget mindre end bølgelængden af ​​termisk stråling.

De viser, at denne varmeemission ikke kan beskrives af Plancks lov, selv når der anvendes en korrektionsfaktor.

I stedet modellerer Wuttke og Rauschenbeutel outputtet nøjagtigt ved hjælp af en anden teori kaldet fluktuationel elektrodynamik, som tager højde for eksperimentets geometri.

Faktisk viser de, at fluktuationel elektrodynamik nøjagtigt kan modellere varmeabsorptions- og emissionskarakteristika for nanoobjekter, første gang det har været muligt.

Det vil have vigtige konsekvenser for fremstillingen af ​​varmeafgivende enheder såsom glødelamper, som kunne gøres meget mere energieffektive, hvis deres varmeemission blev kontrolleret mere omhyggeligt.

Men den største påvirkning vil sandsynligvis være i klimavidenskaben. Disse resultater kan også føre til en bedre forståelse af indvirkningen af ​​partikler, såsom mineralstøv aerosoler fra jorderosion og sod fra forbrændingskilder, på klimasystemet via absorption og emission af sol- og termisk stråling, siger Wuttke og Rauschenbeutel.

Denne nye tilgang betyder, at det burde være muligt at beregne individuelle nanopartiklers termiske egenskaber ud fra første principper.

Det bliver en lang og kompleks proces, men det burde være en afgørende byggesten i fremtidige modeller af, hvordan aerosoler påvirker klimaet.

Ref: arxiv.org/abs/1209.0536 : Undersøgelse af Plancks lov for et objekt, der er tyndere end den termiske bølgelængde

skjule