211service.com
Spuitbussen, klimaatverandering en het dramatische falen van de wet van Planck
In 1991 bracht de uitbarsting van Mount Pinatubo op de Filippijnen zo'n 20 miljoen ton zwaveldioxide vrij in de bovenste atmosfeer. Zwaveldioxide reageert met andere stoffen om in de lucht zwevende nanodeeltjes te produceren, sulfaataerosolen genaamd, die de neiging hebben om zonlicht te weerkaatsen.
Bijgevolg daalde de temperatuur op aarde in de twee jaar na de uitbarsting met ongeveer een halve graad.
Het effect van aerosolen op het klimaat op aarde is enorm belangrijk, maar verbijsterend complex. Naast het afkoelen van de aarde, hebben sommige aerosolen, zoals roet, de neiging om zonlicht te absorberen en zo de atmosfeer op te warmen.
Een grote openstaande vraag in de klimaatwetenschap is hoe deze processen van warmteabsorptie en reflectie in evenwicht zijn.
Een deel van het probleem is dat niemand begrijpt hoe nanodeeltjes warmte absorberen en afgeven. In theorie wordt dit proces beheerst door de wet van Planck, die de hoeveelheid elektromagnetische straling beschrijft die wordt uitgezonden door een perfect zwart lichaam bij een bepaalde temperatuur.
Maar in de praktijk stoten echte objecten niet perfect warmte uit, dus natuurkundigen moeten een correctiefactor toepassen die de spectrale emissiviteit wordt genoemd. Dit hangt af van de eigenschappen van het oppervlak van het object, bijvoorbeeld het materiaal en de ruwheid.
De afgelopen jaren zijn er echter verleidelijke bewijzen naar voren gekomen die erop wijzen dat de vorm en het volume van een object ook een rol kunnen spelen in dit proces.
Vandaag laten Christian Wuttke en Arno Rauschenbeutel van de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk voor het eerst zien hoe en waarom dit waar is.
Ze wijzen erop dat wanneer een object groot is in vergelijking met de golflengte van de straling die het uitzendt, oppervlakte-effecten domineren. Maar wanneer een object klein is in vergelijking met de golflengte, kan straling worden uitgezonden vanaf elk punt binnen zijn volume. In dat geval moet de geometrie van het deeltje een rol spelen.
Om het punt te bewijzen, maten ze de warmte die wordt uitgestraald door een silicium nanovezel met een diameter van 500 nm, wat veel kleiner is dan de golflengte van thermische straling.
Ze laten zien dat deze warmteafgifte niet kan worden beschreven door de wet van Planck, zelfs niet wanneer een correctiefactor wordt toegepast.
In plaats daarvan modelleren Wuttke en Rauschenbeutel de output nauwkeurig met behulp van een andere theorie, fluctuatie-elektrodynamica genaamd, die rekening houdt met de geometrie van het experiment.
In feite laten ze zien dat fluctuerende elektrodynamica de warmteabsorptie- en emissiekenmerken van nano-objecten nauwkeurig kan modelleren, de eerste keer dat dit mogelijk was.
Dat zal belangrijke implicaties hebben voor de fabricage van warmte-emitterende apparaten zoals gloeilampen, die veel energiezuiniger zouden kunnen worden gemaakt als hun warmteafgifte nauwkeuriger zou worden gecontroleerd.
Maar de grootste impact zal waarschijnlijk te vinden zijn in de klimaatwetenschap. Deze resultaten kunnen ook leiden tot een beter begrip van de impact van fijnstof, zoals minerale stofaerosolen van bodemerosie en roet van verbrandingsbronnen, op het klimaatsysteem via absorptie en emissie van zonne- en thermische straling, zeggen Wuttke en Rauschenbeutel.
Deze nieuwe benadering betekent dat het mogelijk moet zijn om de thermische eigenschappen van individuele nanodeeltjes uit de eerste principes te berekenen.
Het zal een lang en complex proces zijn, maar dat zou een cruciale bouwsteen moeten zijn in toekomstige modellen van de manier waarop aerosolen het klimaat beïnvloeden.
Referentie: arxiv.org/abs/1209.0536 : De wet van Planck onderzoeken voor een object dat dunner is dan de thermische golflengte