Når du ser hvor feil værmeldingen for neste uke kan bli, kan du jo tenke deg hvilke utfordringer forskere som vil forutsi været om flere tiår, kan støte på.

Klimaforskere må ha gode modeller for å se hvordan klimaet endrer seg over lang tid. Men for å vite hvordan klimaet på Jorda forandrer seg, må vi også forstå hvordan vanndråper oppfører seg.

– Vi er nå i stand til å beskrive nøyaktig hvordan masse og energi transporteres over både plane og krummede vannoverflater, sier forsker Øivind Wilhelmsen ved Sintef Energi.

Forskningen skjer innenfor feltet irreversibel termodynamikk, en videreutvikling av den norske nobelprisvinneren Lars Onsagers teorier.

Hvordan vanndråper vokser

En av de største usikkerhetsmomentene i dagens klimamodeller er vannets kretsløp og nedbør.

Vann fordamper hele tiden fra hav, elver og innsjøer. Deretter dannes skyer i atmosfæren. I skyene formes bitte små dråper som etter hvert faller ned som regn når de har vokst seg store nok.

– Hvor hurtig disse prosessene skjer, hvor store skyene blir og når regnet faller, er alt avhengig av hvordan masse og energi transporteres over vannoverflater, forklarer Wilhelmsen.

Noe av usikkerheten i værmeldinger og klimamodeller ligger altså akkurat i den grunnleggende forståelsen av disse transportprosessene, som inntil nå har manglet.

– Hvordan vanndråpene vokser, avhenger av overflatemotstandene som Wilhelmsen har beregnet, forklarer professor Signe Kjelstrup ved Institutt for kjemi ved NTNU.

Forskningen var del av Wilhelmsens doktorgradsarbeid, hvor Kjelstrup har vært veileder sammen med professor Dick Bedeaux.

Svært anvendelig

Mange flere enn klimaforskere vil dra nytte av forskningen.

– Den kan beskrive alt fra fordampning av store innsjøer til vekst av vanndråper som bare er noen nanometer store, sier professor Bedeaux.

Resultatene kan brukes til å beskrive naturen rundt oss, gjennom for eksempel værmeldinger og klimamodeller. Men de gir oss også muligheten til å lage bedre modeller for å beskrive fordampning og kondensering i industrien. Et viktig eksempel er dampturbiner, som på verdensbasis er det viktigste prosessutstyret for å generere elektrisitet, for eksempel fra kull. 

– Dette har i årevis vært en manglende puslespill-brikke i mange viktige prosesser, både i naturen og i industrien, forklarer Wilhelmsen.

– Det har uendelig mange anvendelser, og vi er interessert i at dette blir tatt i bruk, påpeker Kjelstrup.

Store utfordringer

Forskerne begynte med fragmenter av beskrivelsen, uten at disse var satt i system. Første jobb var å finne den riktige sammenkoblingen. Det fantes ikke engang en tilfredsstillende beskrivelse for helt plane vannoverflater.

Men nå har forskerne til og med krummet dem, ifølge professor Kjelstrup.

Vann er spesielt, og de særegne egenskapene til vann er en av grunnene til at vi har liv på jorda. De spesielle egenskapene til vann gjorde at forskerne støtte på store utfordringer i arbeidet. 

– Vi måtte ta i bruk alle verktøy vi hadde tilgjengelig, eksperimenter ved lave temperaturer, molekyldynamikk-simuleringer ved høye temperaturer og avansert teori for å koble det hele sammen. Arbeidet hadde ikke vært mulig for ti år siden, sier Wilhelmsen.

Noe av utfordringen lå i at de relevante eksperimentene bare lot seg gjennomføre ved lave temperaturer. Ved høye temperaturer kunne forskerne bruke molekyldynamikk-simuleringer. I slike simuleringer, som foregår med datateknologi, etterligner forskerne vannmolekyler som vekselvirker med hverandre i en boks.

Slik kan de gjenskape de spesielle egenskapene til vann ganske presist. Ved tilstrekkelig lave temperaturer blir simuleringene så regntunge at de ikke lar seg gjennomføre, selv på de kraftigste superdatamaskinene som finnes i dag. Avansert teori var nødvendig for å koble det hele sammen. 

Dråper som vokser

Når vanndråper først formes i atmosfæren er de veldig små. De må vokse seg nesten en million gang større før de faller ned som regndråper. Hvis vi kan si nøyaktig hvor fort vanndråper vokser ved gitte betingelser, kan vi forutsi når og hvor mye det kommer til å regne.

– Siden vanndråpene er veldig små når de først blir dannet, vil krumningen av overflaten deres ha mye å si for hvor hurtig de vokser, sier Wilhelmsen.

Stort sett vil vanndråpene vokse ved å absorbere vann fra atmosfæren og de vil være tilnærmet kuleformede under denne prosessen. Når vanndråpene har blitt litt større, vil to vanndråper også kunne kollidere og slå seg sammen til en større dråpe.

– Nå kan vi også beskrive hvordan transport gjennom vannoverflaten skjer når vanndråper slår seg sammen. Her vil geometrien være mer komplisert, forklarer Bedeaux

Figuren under viser hvordan overflatemostanden ser ut akkurat i det to veldig små vanndråper slår seg sammen for å bli en større dråpe. Blått representerer her en høy overflatemotstand som betyr at det er vanskelig å transportere masse og varme inn eller ut av området hvor dråpene smelter sammen.

– Vanndråper som vokser ved å slå seg sammen er en viktig mekanisme som fører til regn i tropiske strøk, sier Wilhelmsen.

– Viktig å redusere usikkerheten

Selv om dette er snakk om grunnforskning, kan konsekvensene bli store.

– Vi har nå en ny bit av puslespillet. Denne biten kan brukes i klimamodeller og værmeldinger for å gi bedre beregninger, ikke bare for hvordan været blir i morgen, men også for hvordan vær og klima blir i framtiden. Det er viktig å redusere usikkerheten i dagens klimamodeller. Da kan vi lettere overbevise folk om at det superviktig å handle så fort som mulig for å gjøre noe med den globale oppvarmingen, sier Wilhelmsen.

Referanse: 

Øivind Wilhelmsen, mfl. Coherent description of transport across the water interface: From nanodroplets to climate models i Physical Review E, 93, mars 2016. Sammendrag.