Forskere opdager, hvordan atmosfærisk feldspatstøv bidrager til skydannelse

Feldspat er et allestedsnærværende mineral og udgør omkring halvdelen af ​​jordskorpen. I jordens atmosfære spiller feldspat en overraskende vigtig rolle. Fint pulver båret af luft påvirker skydannelsen. Vandmolekyler klæber bedre til feldspatstøv end til andre partikler. Små feldspatkorn, der flyder i atmosfæren, bliver således fremragende kernedannelsesfrø, hvor vandmolekyler klæber og fryser, og til sidst danner en sky.

Det er uklart, hvorfor feldspat har denne bemærkelsesværdige evne til at binde vand effektivt og muliggøre skydannelse. Ved hjælp af et meget følsomt atomkraftmikroskop har forskere ved TU Wien vist, at den unikke geometri af feldspatoverfladen giver det perfekte forankringspunkt for OH-grupper af brint og oxygen – og efterfølgende for vand.

Undersøgelsen er offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters .

Billeder med atomopløsning

"Forskere overvejede adskillige ideer til, hvorfor feldspat er så effektivt et kernedannelsesfrø," siger prof. Ulrike Diebold fra Institut for Anvendt Fysik ved TU Wien, der ledede projektet. "Det kan skyldes kaliumatomer indeholdt i feldspat, eller måske visse defekter i dens krystalstruktur."

For at finde ud af det brugte TU-forskere et følsomt atomkraftmikroskop. I dette mikroskop scannes overfladen af ​​krystallen med en fin spids punkt for punkt. Kraften mellem spidsen og overfladen giver et billede med høj opløsning, hvor hvert atoms position kan bestemmes præcist.

"Vi anbragte et stykke feldspat i mikroskopets vakuumkammer og delte det i to for at opnå en uberørt og ren overflade," siger Giada Franceschi, undersøgelsens første forfatter. "Vi var forundrede over resultaterne:Billederne af overfladen så anderledes ud, end hvad almindelige teorier havde forudsagt."

En optimal forbindelse:Hydroxyllaget

Årsagen blev hurtigt fundet:Små vandindeslutninger i klippen var synderne. Når stenen er brækket fra hinanden, frigives lidt vanddamp. Denne damp hæfter sig til den nysplittede overflade, og vandmolekylerne bryder fra hinanden og danner hydroxylgrupper (OH). "Under mikroskopet ser man ikke selve feldspatoverfladen, men en overflade dækket af hydroxylgrupper," forklarer Giada Franceschi. "I naturen er feldspatoverfladen også dækket af et sådant hydroxyllag."

På grund af feldspatkrystallens geometri er disse hydroxylgrupper placeret på en måde, der gør dem til ideelle forankringspunkter for vandmolekyler. Vandmolekyler kan dokke til hydroxylgrupperne som byggesten, der passer præcist sammen. Dermed danner hydroxyllaget den perfekte forbindelse mellem feldspat og vandet, der hæfter som is. "Båndet etableres meget nemt og hurtigt, og det er også meget stabilt," siger Ulrike Diebold. "For at fjerne hydroxyllaget fra feldspat, ville man være nødt til at opvarme det til høj temperatur." Computersimuleringer understøtter også denne opdagelse.

Resultaterne giver indsigt i, hvorfor specifikke krystaller i vores atmosfære er særligt velegnede som skydannende kernedannelsesfrø. Især i lyset af klimaændringer er det vigtigt at forstå fysikken i skydannelse bedre. Og nogle gange, som forskningsprojektet på TU Wien viser, er man nødt til at dykke dybt ned i atomernes verden.

Flere oplysninger: Giada Franceschi et al, How Water Binds to Microcline Feldspat (001), The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03235

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry Letters

Leveret af Vienna University of Technology