Skyer er mer enn bare hvite dotter på himmelen; de er synlige bevis på komplekse prosesser som foregår i atmosfæren. De er avgjørende for jordens energibalanse og vannets kretsløp. Men hvordan blir usynlig vanndamp til en synlig sky, og hva skal til for at det begynner å regne fra den?
I dette kapittelet skal vi utforske den fascinerende reisen fra et enkelt vannmolekyl til en regndråpe. Vi ser på de tre grunnleggende ingrediensene som må til for å danne en sky, de ulike måtene luften kan løftes på for å starte prosessen, og hvordan vi klassifiserer det store mangfoldet av skyer vi ser på himmelen. Til slutt ser vi på de to hovedprosessene som får skydråper til å vokse seg store nok til å falle som nedbør.
8.1 Hvordan dannes en sky?
For at en sky skal dannes, trengs tre grunnleggende ingredienser:
- Vanndamp: Atmosfæren må inneholde usynlig vanndamp (husk at vanndamp er vann i gassform, og er dermed ikke synlig).
- Kondensasjonskjerner: Små partikler i luften (som støv, salt eller pollen) som vanndampen kan kondensere på.
- Avkjøling: Luften må avkjøles til sitt duggpunkt, slik at vanndampen går over til flytende form (kondenserer).
Aerosoler
Aerosoler er bittesmå partikler i fast stoff eller væske. De er så små at oppdriften klare å holde dem svevende i luften med veldig liten fallhastighet. Størrelsen på partiklene varierer fra mindre enn 10 nanometer til over 100 mikrometer i diameter.
| Type | Beskrivelse |
|---|---|
| Sjøsprøyt (salt fra sjøvann) | Partikler som dannes fra sjøsprøyten som man får fra bølger ved kraftige vinder |
| Mineralstøv | Partikler fra jordoverflaten som virvles opp av vinden. Halvparten av mineralstøvet i atmosfæren kommer fra Saharaørkenen. |
| Vulkansk aske | Røyken med vulkansk aske kan nå helt opp i stratosfæren. Dette gjelder ikke de andre aerosol-kildene. Disse aerosolene kan derfor leve mye lengre i atmosfæren enn de andre. |
| Biologiske aerosoler | Pollen, sopp, bakterier, virus. Skogbranner slipper også ut småpartikler til atmosfæren. |
| Menneskeskapte aerosoler | Støv fra veier, industri, byggeplasser gir store partikler. Vi danner også mindre partikler ved forbrenning av fossilt brensel. |
| Kilde | Beskrivelse |
|---|---|
| Naturlige svovelgasser | Fra havet: Planteplankton skiller ut dimetylsulfid. Denne oksiderer når den kommer i atmosfæren og danner svolveldioksid \(SO_2\). Fra land: Råtnende vegetasjon og dyr danner naturlig \(H_2S\). Vulkaner slipper ut \(SO_2\) direkte. Gassene kan reagere med andre stoffer og dannet sulfataerosoler. |
| Menneskeskapte gassutslipp | Menneskelig aktivitet fører til både flere sulfataerosoler, nitrataerosoler og karbonholdige aerosoler. |
| Gasser fra vegetasjon | Trær og vegetasjon slipper ut flyktige organiske gasser (som blomsterlukten). Disse kan danne nye partikler. |
Den absolutt vanligste måten luften avkjøles på i atmosfæren, er ved at den stiger. Som vi så i Kapittel 7, vil en luftpakke som stiger, utvide seg på grunn av lavere trykk. Denne utvidelsen krever energi, som tas fra luften selv, og temperaturen synker (adiabatisk avkjøling). Når luften avkjøles til duggpunktet, begynner vanndampen å kondensere på kondensasjonskjernene, og en sky er født.
Det er hovedsakelig fire mekanismer som får luft til å stige:
8.2 Klassifisering av skyer
Skyer klassifiseres hovedsakelig etter to kriterier: høyde over bakken og form. Hovedformene er cirrus (fjærskyer), stratus (lagskyer) og cumulus (haugskyer). Ordet nimbus betyr at det faller nedbør fra skyen.
Høye skyer (over 5 km)
Disse skyene består nesten utelukkende av iskrystaller.
- Cirrus (Ci): Tynne, fjærlette skyer som består av isktrystaller. Ofte et tegn på at en varmfront nærmer seg.
- Cirrostratus (Cs): Et tynt, sløraktig skylag som kan dekke hele himmelen. Gir ofte en halo (ring) rundt solen eller månen.
- Cirrocumulus (Cc): Små, hvite flak eller “makrellskyer”. Sjelden.
Mellomhøye skyer (2-5 km)
Disse består av en blanding av vanndråper og iskrystaller.
- Altostratus (As): Grålig eller blålig skylag som dekker hele eller deler av himmelen. Solen kan skinne svakt gjennom, som gjennom matt glass.
- Altocumulus (Ac): Hvite eller grå flak eller felt av skyer, ofte i bølgemønstre.
Lave skyer (under 2 km)
Består hovedsakelig av vanndråper.
- Stratus (St): Et jevnt, grått skylag som kan ligne på tåke som ikke når ned til bakken. Kan gi lett yr.
- Stratocumulus (Sc): Grå eller hvitaktige flak eller ruller av skyer med mørkere partier.
- Nimbostratus (Ns): Et tykt, mørkegrått skylag som gir jevn og langvarig nedbør (regn eller snø).
Skyer med stor vertikal utstrekning
Disse skyene strekker seg gjennom flere høydenivåer.
- Cumulus (Cu): Enkeltstående, tette skyer med skarpe kanter og en flat base. Ofte kalt “godværsskyer”.
- Cumulonimbus (Cb): Store, tette og mektige bygeskyer som strekker seg høyt opp i atmosfæren. Toppen er ofte amboltformet og består av is. Gir kraftige byger, ofte med torden, lyn og hagl.
Nedenfor ser dere utviklingen av en cumulus-sky.
Oppgave 8.1 Studer figuren nedenfor.
Gjør rede for hvorfor situasjonen til venstre skaper en liten “blomkålssky”, den i midten blir litt høyere, og den til høyre utvikler seg hele veien til en cumulunimbus. Husk å bruke temperaturprofilene i forklaringen.
8.3 Fra skydråpe til nedbør
En gjennomsnittlig skydråpe er bitteliten, med en diameter på ca. 0.02 mm. Den er så lett at selv svake oppvinder i skyen holder den svevende. For at det skal bli nedbør, må hundretusenvis av slike smådråper slå seg sammen til én stor regndråpe (ca. 2 mm i diameter). Dette skjer hovedsakelig gjennom to prosesser.
Kollisjon og koalesens (Varme skyer)
I “varme” skyer, der temperaturen er over 0 °C, vokser dråpene ved at de kolliderer og smelter sammen. Skydråpene har litt ulik størrelse. De største dråpene faller raskere enn de små, og på veien nedover kolliderer de med og “fanger” mindre dråper. For hver kollisjon vokser dråpen seg større og faller enda raskere, og samler opp enda flere smådråper. Denne prosessen er mest vanlig i tropene.
Figuren ovenfor viser hvordan regndråper dannes i “varme” skyer (skyer med temperatur over 0 °C), en prosess som er vanlig i tropiske strøk.
Ulike størrelser: En sky består av millioner av små vanndråper med varierende størrelse. De største dråpene kalles “oppsamlingsdråper” (collector drops).
Ulik fallhastighet: På grunn av tyngdekraften og luftmotstand, faller de store og tunge oppsamlingsdråpene raskere enn de mindre, lettere skydråpene.
Kollisjon: Mens den store dråpen faller, kolliderer den med mindre dråper som er i dens bane.
Koalesens (Sammensmelting): Når dråpene kolliderer, smelter de sammen til én større dråpe.
Vekst: For hver lille dråpe som samles opp, vokser oppsamlingsdråpen i størrelse og masse. Dette øker fallhastigheten ytterligere, noe som fører til flere kollisjoner i en akselererende prosess.
Regndråpe: Når dråpen har vokst seg stor nok til at vekten overvinner oppvindene i skyen, faller den ut av skyen som en regndråpe.
Bergeron-prosessen (Kalde skyer)
I Norge er de fleste skyer som gir nedbør “kalde” skyer, der toppen av skyen har temperaturer godt under 0 °C. Disse skyene inneholder en blanding av underkjølte vanndråper (flytende vann med temperatur under 0 °C) og små iskrystaller.
Bergeron-prosessen fungerer fordi metningstrykket over is er lavere enn over underkjølt vann. Dette fører til at:
- Vannmolekyler fordamper fra overflaten av de underkjølte vanndråpene.
- Disse vannmolekylene fester seg så til iskrystallene (deposiderer).
- Resultatet er at iskrystallene vokser på bekostning av vanndråpene, som fordamper bort.
Iskrystallene vokser seg raskt store og tunge. De begynner å falle og kan kollidere med andre iskrystaller og danne snøfnugg, eller kollidere med underkjølte vanndråper som fryser fast på dem.
8.4 Ulike typer nedbør
Under visse forhold vil skydråper vokse seg så store og tunge at de faller som nedbør. Skydråper har typisk en diameter rundt 0,01 millimeter. For at vi skal få regn, må dråpene typisk være 1–5 millimeter store. I isskyer er iskrystallene typisk 0,1–1 millimeter store, mens for å få snø må de være omtrent 10 millileter i diameter.
Overgangen til nedbør går spesielt fort i skyer som består av underkjølte vanndråper eller har stor vertikal utstrekning og dermed stor temperaturforskjell mellom topp og bunn av skyen.
Som vi har sett, starter mesteparten av nedbøren som faller på våre breddegrader som iskrystaller høyt oppe i kalde skyer. Hvilken form nedbøren har når den treffer bakken, avhenger av temperaturprofilen i atmosfæren den faller gjennom.
Snø
Hvis temperaturen i hele luftlaget fra skyen og ned til bakken er under 0 °C, vil iskrystallene ikke smelte. De kan vokse ved å kollidere med andre iskrystaller og danne snøfnugg. Disse faller til bakken som snø. Formen på snøkrystallene avhenger av temperaturen og fuktigheten de dannes i.
Regn og yr
Hvis iskrystallene faller gjennom et luftlag som er varmere enn 0 °C, vil de smelte og bli til vanndråper. Så lenge dette varme laget er tykt nok til at de smelter fullstendig, og temperaturen ved bakken også er over frysepunktet, vil nedbøren treffe bakken som regn. Dette er den vanligste årsaken til regn i Norge, selv om sommeren.
Vi deler regn inn i to hovedtyper basert på dråpestørrelse:
- Yr. Diameter < 0,5 mm. Fallhastighet ca 2 m/s eller mindre.
- Regn. Diameter minst 0,5 mm. Fallhastighet ca 3 m/s eller mer. Fallhastigheten øker med økende diameter. Når dråpene har fått en diameter på ca. 5 mm vil hastigheten være 8-9 m/s. Luftmotstanden vil da bli så stor at dråpen “revner” og splittes opp i mindre regndråper. Regndråper har altså en maksimalstørrelse med diameter på ca. 5 mm.
Sludd
Sludd er en mellomting mellom regn og snø. Det oppstår når snøfnugg faller gjennom et tynt lag med varmluft hvor de bare delvis smelter. Resultatet er en blanding av snø og regn, eller store, våte snøflak. Dette skjer typisk når temperaturen ved bakken er rett over frysepunktet (0 til 2 °C).
Underkjølt regn
En spesiell og farlig situasjon oppstår når regndråper faller gjennom et kaldt luftlag (under 0 °C) helt nede ved bakken. Dråpene blir da underkjølte (fortsatt flytende, men med temperatur under 0 °C) og fryser umiddelbart når de treffer en overflate, som veier, trær eller flyvinger. Dette kalles underkjølt regn og kan føre til svært glatte forhold (isgater) og store skader på grunn av isens tyngde.
Hagl
Hagl er nedbør av isklumper og dannes på en helt spesiell måte i kraftige bygeskyer (Cumulonimbus) med svært sterke opp- og nedadgående luftstrømmer.
Prosessen starter med en liten partikkel, et “hagl-embryo”, som kan være en frossen vanndråpe eller en iskrystall. Denne partikkelen blir fanget av de kraftige oppvindene og ført høyt opp i skyen. På sin ferd kolliderer den med underkjølte vanndråper som fryser fast på overflaten og får haglet til å vokse.
Haglet kastes så rundt i skyen i en syklisk bevegelse: opp med oppvindene, ned med nedvindene. Hver tur opp og ned legger nye islag på haglet. Dette gir haglet en karakteristisk løk-lignende struktur med vekslende lag:
Melkeaktige/hvite lag: Dannes i de øvre, kaldere delene av skyen. Her fryser de underkjølte dråpene momentant ved kontakt, og små luftbobler blir fanget i isen.
Klare islag: Dannes i de lavere, “varmere” (nærmere 0°C) og fuktigere delene av skyen. Her rekker vannet å flyte litt utover overflaten før det fryser, slik at luftboblene unnslipper og isen blir klar.
Denne prosessen gjentas helt til haglet er blitt så tungt at oppvindene ikke lenger klarer å holde det svevende. Da faller det til bakken. Størrelsen på haglet avhenger av styrken på oppvindene og hvor lenge det holdes svevende i skyen.
