Condensatiekernen - essentieel voor het Klimaat

Condensatie is simpel gezegd het samensmelten van waterdampmoleculen. Hieruit ontstaan kleine druppeltjes die samen een wolk vormen. Een onmisbare factor bij condensatie, en dus wolkvorming, is de aanwezigheid van condensatiekernen. Het zijn “water aantrekkende” deeltjes die op vele manieren in de lucht terecht kunnen komen. Een condensatiekern laat waterdampmoleculen samensmelten om de allereerste minuscule waterdruppeltjes te vormen. Wolken zijn een cruciaal onderdeel, zo niet hét onderdeel, van het klimaat op Aarde. Daarmee zijn condensatiekernen essentieel voor het klimaat!

Condensatie

In simpele woorden is condensatie dus niets anders dan het samensmelten van watermoleculen. Condensatie kan bereikt worden door een toename van waterdamp of door het afkoelen van lucht. In beide gevallen worden de aanwezige waterdampmoleculen naar elkaar toe gedreven en condenseert waterdamp tot minuscule druppeltjes.

Toch is het afkoelen van lucht of een toename van waterdamp alleen niet genoeg. De waterdampmoleculen moeten zich op een ander voorwerp of deeltje kunnen verzamelen. Net zoals zandkorrels obstakels nodig hebben om duinen te vormen, hebben waterdampmoleculen een voorwerp nodig om druppels te maken. Gelukkig is de atmosfeer ook vol van andere deeltjes en voorwerpen. Zonder deze deeltjes zou condensatie, of wolkvorming, pas optreden bij een extreem hoge luchtverzadiging van waterdamp. Dit effect heet oververzadiging. In de volkomen schone lucht moet de verzadiging of vochtigheid dan oplopen tot 300 a 400%. Dit wordt in praktijk nooit gehaald, omdat de atmosfeer alles behalve schoon is. Condensatie wordt (gelukkig) dus al eerder bereikt. Dit komt door de aanwezigheid van condensatiekernen; de benodigde deeltjes voor condensatie.

Condensatiekernen

In de atmosfeer kan altijd condensatie plaatsvinden door de aanwezigheid van condensatiekernen. Dit zijn niet-gasvormige, hygroscopische deeltjes. Hygroscopisch betekent “water aantrekkend”. Een ander woord voor deze deeltjes is aerosolen. Het zijn de benodigde deeltjes in de atmosfeer waarop de watermoleculen zich kunnen afzetten of verzamelen om een druppel te vormen. Hieruit ontstaan uiteindelijk wolken. Een condensatiekern trekt de watermoleculen aan, maar laat ze samensmelten om de eerste kleine waterdruppeltjes te vormen.

Aitkernen

De kleinste soort condensatiekernen worden Aitkernen genoemd. Deze deeltjes hebben een diameter van de rond de 0.01-0.1 micrometer (μm). De Aitkernen worden door natuurlijke en kunstmatige processen in de atmosfeer gebracht. Ze komen daarom overal op aarde voor. Boven zee is de concentratie van deze deeltjes het laagst; 10 tot 100 deeltjes per cm³ lucht. Boven land en vooral rondom industrie en steden is de concentratie aanzienlijk hoger. Stedelijk gebied brengt namelijk veel deeltjes in de atmosfeer. De lucht bevat daar makkelijk een miljoen Aitkernen per cm³. Aangezien deze deeltjes relatief klein zijn, laten ze waterdamp pas condenseren bij een relatieve vochtigheid van 101%. ‘Relatief’ gezien, omdat de vochtigheid bij elke temperatuur anders is.
Grote en reuzekernen
Condensatiekernen van een groter formaat worden, hoe toepasselijk, grote en reuzekernen genoemd. Grote kernen hebben een diameter van 0.1-1.0 μm. Reuzekernen kunnen een diameter van 1.0 tot enkele micrometers bevatten. Deze deeltjes zijn al actief als condensatiekern beneden een relatieve vochtigheid van 101%. Door de enorme omvang van de oceanen vormen zeezoutdeeltjes de grootste groep binnen de reuzekernen. Andere bronnen van reuzekernen zijn vulkaanuitbarstingen of natuurlijke en kunstmatige processen. Een belangrijke condensatiekern is ammoniumsulfaat, (NH4)₂SO₄.

Vrieskernen

Een vrieskern trekt ook watermoleculen aan, maar zet ze daarentegen om in ijskristalletjes mits de temperatuur beneden 0 °C is. Vrieskernen zijn meestal minerale kleideeltjes, met een diameter tussen de 0.1-4.0 μm. De natuurlijke concentratie van vrieskernen ligt veel lager dan dat van condensatiekernen; >1 per cm³. Hoe beter de structuur van de vrieskern overeenkomt met de structuur van ijs, hoe groter de kans dat al bij hogere temperatuur ijskristalletjes gevormd worden. Zo is zilverjodide (AgJ) een zeer effectieve vrieskern, dat al bij een temperatuur van -4°C een druppeltje kan laten bevriezen. Het proces waarbij waterdampmoleculen rechtstreeks in ijs overgaan wordt sublimatie genoemd.

Vaak is de temperatuur, zodra condensatie in de lucht van start gaat, niet laag genoeg voor vrieskernen om actief te zijn. Condensatiekernen vormen zo meestal de eerste minuscule druppeltjes uit waterdampmoleculen. Wanneer de lucht verder stijgt en afkoelt worden vrieskernen ook actief. De deeltjes zijn dat in staat om zowel waterdampmoleculen als bestaande druppeltjes om te zetten in kleine ijskristalletjes. Vanwege de relatief lage concentratie van vrieskernen zijn alle deeltjes na verloop van tijd ‘bezet’. Condensatiekernen zijn bij de lage temperaturen nog steeds actief. De al bestaande druppeltjes, waterdampmoleculen en nieuw gevormde druppeltjes raken dan onderkoeld. Bij zeer lage temperaturen (gemiddeld -12°C) treedt dan pas spontane bevriezing op.

Essentieel voor het klimaat

De combinatie van condensatie- en vrieskernen leidt tot condensatie en dus wolkvorming. Een wolk is dus eigenlijk een bundel van zwevende waterdruppeltjes of ijskristalletjes. Wolken zijn op vele manieren een cruciaal onderdeel van het Aardse klimaatsysteem. Hoofdzakelijk omdat ze een groot effect hebben op de energiebalans van zowel de atmosfeer als van het aardoppervlak. Het ontstaan van wolken is erg wisselvallig en onvoorspelbaar. Feit is wel dat wolken gevormd worden door condensatiekernen. Onschuldige kleine deeltjes in de lucht, maar essentieel voor het klimaat op Aarde.

Lees verder

• Hoe ontstaat een regendruppel?
• Stabiliteit van de Atmosfeer
• Waarom stijgt warme lucht op?
• Vochtigheid van de lucht
• Waarom is de lucht blauw?