Kleine aerosoldeeltjes kunnen tropische convectieve wolken mogelijk versterken, maar wetenschappers hebben daar decennia over gediscussieerd. Aerosolen beïnvloeden de vorming en groei van wolkendruppels, wat de condensatie en het vrijkomen van latente warmte kan beïnvloeden.

Een voorgesteld proces, condensatie-aerosol-convectieve versterking genoemd, hangt af van wolken die een zeer hoge waterdampoververzadiging ontwikkelen. Wanneer die omstandigheden zich voordoen, kunnen extra aerosoldeeltjes nieuwe druppels vormen. Dat kan de condensatie verhogen, meer latente warmte vrijmaken en mogelijk de stijgende lucht in de wolk versnellen.

Vliegtuigmetingen hebben over het algemeen de hoge niveaus van quasi-stationaire oververzadiging die voor dit proces nodig zijn niet gedetecteerd. Dat betekent echter niet dat dergelijke omstandigheden nooit in de atmosfeer voorkomen.

Veel eerdere metingen waren gericht op wolkomgevingen waar extreme oververzadiging onwaarschijnlijk was. Dit omvatte relatief vervuilde wolken, ondiepe warme wolken en wolken die onder hun diepere convectieve gebieden werden bemonsterd. Op grotere hoogten kunnen druppelbotsingen, neerslagvorming en snellere opwaartse luchtstromen het totale oppervlak van druppels verminderen, waardoor oververzadiging kan opbouwen.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Advances in Atmospheric Sciences onderzocht vliegtuigwaarnemingen die zijn verzameld tijdens NASA's Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment. De campagne vond plaats boven de Filipijnen en nabijgelegen tropische oceanen in 2019.

Onderzoekers uit China, de VS en Israël schatten de quasi-stationaire oververzadiging met behulp van metingen van opwaartse windsnelheden en grootteverdelingen van wolkendruppels. De methode legt het evenwicht vast tussen waterdamp die wordt geproduceerd als lucht stijgt en waterdamp die wordt verwijderd als het condenseert op druppels.

De resultaten geven aan dat tropische convectieve wolken oververzadigingsniveaus kunnen bereiken die veel hoger liggen dan die in eerdere vliegtuigstudies met vergelijkbare methoden zijn vastgelegd.

De oververzadiging nam toe naarmate het vliegtuig hogere delen van de wolken bemonsterde, en bereikte ongeveer 10% bij ongeveer -5°C. Bij die temperatuur bestonden de opwaartse gebieden nog voornamelijk uit onderkoelde vloeibare druppels.

De geschatte oververzadiging bleef stijgen bij koudere temperaturen. Er begon zich echter ijs te vormen in die gebieden, waardoor schattingen die alleen op de vloeibare fase zijn gebaseerd minder zeker werden.

Een onlangs gepubliceerde begeleidende studie biedt extra ondersteuning voor de bevindingen. Onderzoekers die gebruikmaakten van gegevens van de ESCAPE-vliegtuigcampagne boven de kust van Texas en Louisiana detecteerden onafhankelijk zeldzame maar extreme quasi-stationaire oververzadiging van ongeveer 11% in diepe convectieve opwaartse luchtstromen.

Samen suggereren de studies dat hoge waterdampoververzadiging voorkomt in de wolkomgevingen waar condensatie-aerosol-convectieve versterking het meest waarschijnlijk is.

De grootste betrouwbare waarden werden gevonden in sterke opwaartse luchtstromen met relatief lage druppelconcentraties. Wanneer wolken meer druppels bevatten, nam hun gecombineerde oppervlak toe. Meer damp condenseerde vervolgens op die druppels, waardoor de geschatte oververzadiging afnam.

De waarnemingen bewijzen niet dat aerosols ervoor zorgden dat de bemonsterde wolken sterker werden. In plaats daarvan tonen ze aan dat de atmosferische omstandigheden die nodig zijn voor condensatie-aerosol-versterking zich kunnen ontwikkelen in echte tropische convectieve wolken.

Hoge oververzadiging fungeert als de "brandstof" die extra fijne of ultrafijne aerosoldeeltjes kunnen gebruiken om meer druppels te vormen. Die druppels zouden de condensatie kunnen verhogen, extra latente warmte kunnen vrijmaken en mogelijk de opwaartse luchtstromen van de wolk kunnen versterken.

De centrale bevinding is niet alleen dat extreme oververzadiging bestaat. Wetenschappers moeten ook de juiste soorten wolken onderzoeken om het te detecteren.

"Eerdere studies keken naar vervuilde of ondiepe wolken - typen die doorgaans niet de hoge oververzadigingsomstandigheden creëren die nodig zijn voor condensatie-versterking. Dus het is geen verrassing dat ze dat mechanisme niet in actie zagen," zei Daniel Rosenfeld van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en Wuhan Universiteit.