Aerosol transport in idealized wind-wave systems

Denne rapporten tar for seg aerosoltransport ved turbulent vind over vannbølger. For enkelt terreng over land ser det ut til å være enighet om at aerosoltransport er godt beskrevet av forenklede modeller. Vi vet likevel at terreng eller geometri kan være kompleks, som i urbane miljøer. Da er det nødvendig med avanserte beregningsmodeller. Den turbulente strømningen over vann er til forveksling lik strømningen over flatt terreng på land, men det er noen viktige forskjeller. For det første endres varmetransporten sammenlignet med forhold på land. For det andre genereres bølger som et resultat av vinden.

I denne rapporten utforsker vi tre idealiserte strømningsregimer som kan oppstå ved strømning over vann. I det første er vinden for svak til å generere bølger. Dermed forblir havoverflaten flat. Det andre regimet er når vinden er sterk nok til å generere vannbølger. Disse såkalte vindbølgene er langsomme sammenlignet med den lokale vinden. Hovedeffekten er å bidra med aerodynamisk motstand for vinden. Det tredje regimet oppstår når bølger som har blitt generert et annet sted forplanter seg inn i områder med roligere vind. Disse kalles dønninger, og har rask forplantningshastighet sammenlignet med den lokale vinden.

I tråd med eksisterende litteratur finner vi at vindbølger oppfører seg som en ru overflate. For spredning av aerosoler har dette to vesentlige følger. For det første forsterkes de turbulente spenningene, noe som fører til en bredere spredningssky. Det andre og kanskje viktigste er at bølgene bidrar med en nedoverrettet transportmekanisme. Denne fører til avsetning av større partikler på overflaten. Resultatet er lavere luftkonsentrasjoner av aerosoler sammenliknet med en flat overflate.

I dønningsregimet er bredden på spredningen og ankomsttiden til aerosolskyen til forveksling lik det som oppstår ved en flat overflate. Imidlertid er dønninger karakterisert av en oppoverrettet transportmekanisme, der bølgene gir energi til vinden. Den viktigste konsekvensen av dette er at bølgebevegelsen ser ut til å dytte aerosoler vekk fra overflaten. Denne dyttingen motvirker at aerosoler klynger seg nær overflaten, slik tilfellet er for en flat overflate. Aerosolskyen transporteres derfor i dette tilfellet mer som en konsentrert sky sammenlignet med den flate overflaten. Dette kan føre til lokale regioner med høyere konsentrasjoner.

For små aerosoler er både formen på og ankomsttiden til spredningsskyen relativt lik for de tre regimene. Dette antyder at forenklede spredningsmodeller, som de såkalte Gauss-modellene, kan være egnet til å beskrive turbulent transport av nøytrale gasser over bølger. Imidlertid er det noen forskjeller i konsentrasjoner for de tre regimene.

For større aerosoler viser denne rapporten klare bevis på endret spredningsdynamikk. Dette gjelder både for vindsjøregimet og for dønningsregimet sammenlignet med spredning over en flat overflate. Disse effektene er ikke fanget av dagens forenklede spredningsmodeller.

Resultatene i denne rapporten er oppnådd på en såkalt laboratorieskala. Det er en skala som er mye mindre enn den faktiske skalaen til vind-bølge interaksjon i atmosfæren. Det virker nødvendig å undersøke om disse effektene fortsatt er tilstede på atmosfærisk skala.