De studerar hur regnskurar och planeter bildas

Projektanslag 2014

Bottlenecks for particle growth in turbulent aerosols

Huvudsökande:
Professor Bernhard Mehlig, professor i komplexa system

Medsökande:
Göteborgs universitet
Stellan Östlund

Nordiska institutet för teoretisk fysik, Nordita
Axel Brandenburg

Lunds universitet
Anders Johansen

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Ebernhard Bodenschatz

Lärosäte:
Göteborgs universitet

Beviljat anslag:
33 miljoner kronor under fem år

Utanför fönstret syns mörka moln. Passande fond för ett samtal om regndroppar. Men forskningen Bernhard Mehlig leder handlar inte om det regn vi ser en vanlig måndag i Göteborg, utan om processen där de små finfördelade vätskepartiklarna i molnen växer i storlek.

– Vi vill förstå och beskriva storleksfördelning på dessa aerosolpartiklar som kastas omkring i turbulent omgivning, till exempel i moln eller i stoftet runt en stjärna. Det här vill vi använda för att få fram en modell som kan förklara det första stadiet i regn och hur planeter bildas, berättar Bernhard Mehlig som är fysiker och professor i komplexa system.

. Storleksfördelningen på dropparna avgör nämligen hur molnen absorberar och reflekterar solens strålning, vilket i sin tur påverkar vårt klimat på jorden. I dagens klimatmodeller är regndropparnas storleksfördelning en stor osäkerhetsfaktor, enligt Bernhard Mehlig.

– I vilken form vatten finns i atmosfären är en viktig del i klimatdynamiken. Dropparna är mikrometerstora i början innan de växer till i molnen. Men klimatmodellerna har kilometer som minsta skala. Vi måste bryta ned det för att få en bättre bild av den växelverkan som sker mellan luft och partiklar i turbulensen och när olika parametrar ändras, till exempel om det blir varmare eller kallare.

Teori för hela processen

Turbulens är ett fenomen som kan beskrivas som stora cirkulära rörelser som bryts ned i mindre och mindre virvlar. I moln är de allra minsta virvlarna bara någon millimeter stora, förklarar Bernhard Mehlig.

– Våra forskningsproblem består i att visa hur många droppar, av olika storlek, som rör sig tillsammans i turbulensen, hur de kolliderar med varandra och växer.

Det finns ännu ingen teori som beskriver hela förloppet då partiklarna växer från de minsta till de största. För att skapa en sådan teori måste processen delas in i mindre delproblem. Bernhard Mehlig tog för drygt tio år sedan, tillsammans med den brittiska fysikern Michael Wilkinson, fram en modell som beskriver skeendet just innan partiklarna möts.

– Den stora utmaningen nu är att koppla ihop det vi gjorde då med verkligheten, och den är mycket mer komplicerad än våra enkla modeller.

Förenklad modell

I projektet, som har anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, arbetar Bernhard Mehlig vidare med modellen och testar den experimentellt tillsammans med en handfull välmeriterade forskare. Den vetenskapliga utmaningen blir att sätta ihop lösningarna på de olika delproblemen, konstaterar Bernhard Mehlig.

– När det gäller våra statistiska beräkningar måste vi förenkla så mycket det bara går utan att tappa de mekanismer som är viktiga. Och det vet vi bara om vi jämför med datasimuleringar och experiment.

På Göteborgs universitet finns kollegorna Stellan Östlund, som arbetar med statistiken bakom modellen, och Dag Hanstorp som har byggt optiska fällor där man kan fånga enskilda droppar för att studera hur de växer till större droppar.

Modellen de utvecklar kan användas även i forskning om hur planeter bildas ur små stoftkorn. Därför ingår två världsledande astrofysiker i projektet. Axel Brandenburg kommer från Nordita, och Anders Johansen, som dessutom är Wallenberg Academy Fellow, från Lunds universitet.

– Nu vill vi slå ihop våra statistiska modeller och experiment med Axels datasimuleringar och Anders teorier. Vi tänker också söka samarbete med kollegor på meteorologiska institutionen på Stockholms universitet för att förankra det vi gör. Så att vi verkligen kommer fram till något som är till nytta för dem, säger Bernhard Mehlig.

Droppar i plexiglaskula

Även en tysk forskare, Eberhard Bodenschatz vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen, ingår i projektteamet.

Bernhard Mehlig lyser upp när han berättar om labbet i Göttingen.

– Det är fantastiskt! De har en stor plexiglaskula, kanske en och en halv meter i diameter, högtalare som drivs med brus skapar turbulens, och så en liten roterande skiva som spottar ut droppar som rör sig i turbulensen. Med mycket högupplösta kameror kan de sedan mäta partiklarnas rörelse.

Alla i projektet har hittills arbetat i sina egna hörn, men hela bilden kan man bara få tillsammans, avslutar Bernhard Mehlig.

– Tack vare det här anslaget har det blivit möjligt och det är vi mycket tacksamma för. Även om vi inte lyckas lösa gåtan med storleksfördelning så kommer vi längs vägen få fram resultat som kommer vara till stor nytta för olika forskarkollegor, bland annat inom meteorologi.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström