ESTIMATING CLOUD DROPLET EFFECTIVE RADIUS FROM SATELLITE REFLECTANCE DATA
Modified Exponential Approximation
___________________________________________________________________________________________________
Sammanfattning på svenska av kandidatarbete 15 hp i Fysik av Julia Karlgård
Moln förknippas ofta med väder och kanske i synnerhet lågtryck. Men moln spelar också en
viktig roll i jordens uppvärmning. Moln både stänger ute värme, i form av inkommande
solstrålning, och isolerar, i form av utgående värmestrålning från jorden. Den totala effekten
beror bl. a. på molnets höjd ovanför marken, tjocklek och inre struktur, såsom droppstorlek
och droppkoncentration (antalet molndroppar per volymenhet). Droppstorleken tillsammans
med droppkoncentrationen avgör molnets s. k optiska täthet, en egenskap som beskriver hur
mycket av det inkommande solljuset som släpps igenom en viss tjocklek.
Molnens egenskaper, då framför allt droppstorleken, avgör också nederbörden. Ju större och
tyngre droppar, desto troligare att dessa faller ut som regn, snö eller hagel. Enligt studier
(Rosenfeld och Lensky, 1998; Pinsky och Khain, 2002) ligger den kritiska (effektiva)
droppradien innan molndropparna faller ut som nederbörd på ca 14-15 µm. Det har visat sig
att aerosoler (små, luftburna partiklar t ex sot, damm, salter etc.) kan påverka droppstorleken.
Vissa aerosoler (hydrofila) fungerar som kondensationskärna för molndroppar genom att
utgöra en lämplig yta som atmosfärens vattenånga kan kondensera mot och bilda
vattendroppar. I ett luftpaket med hög aersolkoncentration finns således många
kondensationskärnor, vilket resulterar i många vattendroppar. Eftersom mängden vattenånga i
luftpaketet är begränsad, blir vattendropparna som bildas mindre än de normalt skulle bli i
”ren” luft (i absolut ren luft bildas teoretiskt sett inga vattendroppar alls, eftersom det inte
finns någon kondensationskärna). De mindre vattendropparna har lägre sannolikhet att falla ut
som regn och luftpaketet, eller molnet, får på sätt längre livslängd. Detta i sin tur kan leda till
förändrade nederbördsmönster och hydrologi, t ex genom att molnen hinner transportera bort
vattnet i atmosfären innan det regnar ut.
En effekt av att molndropparna i förorenade moln är mindre än normalt är att molnets
reflektiva egenskaper förändras. Då den inkommande solstrålningen passerar genom
molndropparna absorberas en del medan en del sprids genom reflektion och ljusets brytning.
Förenklat kan man säga att ju mer vatten molnet innehåller, desto mer solstrålning absorberas,
och att små partiklar (små i förhållande till ljusets våglängd) sprider ljus bättre stora partiklar.
Det senare skulle innebära att moln med hög aerosolkoncentration bättre sprider inkommande
solstrålning än moln med lägre aerosolkoncentration och på så sätt har en kylande effekt på
klimatet. Detta kallas även aerosolers indirekta effekt. Enligt IPCC (2001) är den indirekta
effekten av aerosoler den enskilt största osäkerhetsfaktorn i dagens klimatmodeller. Man
menar att dagens aerosolhalter i luften troligtvis har en dämpande effekt på den globala
uppvärmningen, men att betydelsen av denna effekt i förhållande till andra faktorer är osäker.
För att kunna förutspå framtida klimatscenarier är det alltså av stor vikt att känna till hur
aerosoler påverkar molnets egenskaper, både i fråga om reflektans och nederbörd. Idealet är
att kunna jämföra molnegenskaper i luftmassor med låg respektive hög aerosolkoncentration
och utifrån detta kunna dra slutsatser om aerosolers molnpåverkan. Eftersom ”provtagningar”
av moln m h a flygningar är dyra och tidskrävande att genomföra är ett alternativ (eller
komplement) att använda sig av datamodeller, för att utifrån satellitmätningar av moln kunna
ta reda på molnets tjocklek och droppstorlek. Man utnyttjar här effekten av att moln med olika
droppstorlek och dropptäthet har olika reflektans (d v s reflekterar och absorberar olika
mycket). Tillsammans med kännedom om luftmassornas aersolhalt skulle dessa modeller
kunna ge en uppfattning om aersolers inverkan på moln och molnbildning.
ESTIMATING CLOUD DROPLET EFFECTIVE RADIUS FROM SATELLITE REFLECTANCE DATA
Modified Exponential Approximation
___________________________________________________________________________________________________
I denna studie har en enklare modell använts på satellitdata från 9e maj 2004, för att beräkna
droppsstorleken i moln över ett område i södra Sverige. Modellen kallas Modified
Exponential Approximation (MEA) och utgår från den uppmätta reflektansen i två olika
våglängdsband från satelliten MODIS Aqua: 0.620-0.670 µm och 2.105-2.155 µm. Modellen
är en förenkling av den s k Asymptotiska teorin, en teori som bygger på att för tillräckligt täta
moln kan reflektansen beskrivas av kända funktioner, samt att den effektiva radien och den
optiska tätheten kan bestämmas näst intill oberoende av varandra. Istället för att beräkna
medelradien eller typradien beräknas den effektiva droppradien eftersom denna är ett viktat
mått på radien, som tar hänsyn till storleksfördelningen i molnet. MEA har tagits fram av bl.
a. Alexander A. Kokhanovsky, docent i optik vid institutet för miljöfysik på universitetet i
Bremen, och har i flera studier använts i syfte att uppskatta molns optiska egenskaper.
Studien resulterade i ett drygt 100-tal undersökta pixlar i satellitbilden, där den effektiva
droppstorleken och optiska tätheten beräknats för de pixlar som uppfyller vissa krav på
reflektansen. Droppstorleken för moln med optisk täthet större än 10 ligger i intervallet 11,4 –
15,4 μm, med en medianstorlek på ca 14.6 μm. Detta ligger nära det förväntade värdet på 14
μm, som enligt studier är typiskt för kustnära moln. Felet i modellen uppskattas till 10-20%,
beroende på hur satelliten står i förhållande till det undersökta området, och molnets optiska
täthet.
Den relativt enkla modellen har visat sig vara snabb i beräkningarna och samtidigt ge resultat
jämförbara med betydligt mer avancerade och beräkningstunga modeller. Målet med
modellen är att kunna använda denna tillsammans med data över molntoppstemperatur för att
kunna göra beräkningar av molnets tillväxt, och hur denna påverkas av aersolhalten i luften.
För en framtida användning skulle en noggrannare utvärdering av modellens tillförlitlighet
vara av stort värde, liksom en analys av modellens känslighet för vissa parametrar. En
utveckling av modellen som skulle kunna urskilja varma moln (bestående av enbart
vattendroppar) från kalla moln (enbart iskristaller) och mixed phase (blandning av
vattendroppar och iskristaller) skulle också vara intressant, eftersom modellen bygger på
antagandet om varma moln, d v s moln enbart uppbyggda av vattendroppar.
