Regen is van cruciaal belang voor al het leven op onze planeet. Regen is de start van de hydrologische cyclus. Regen kan alleen plaatsvinden als er wolken vormen. Wolken vormen zich doordat waterdamp van fase verandert: de waterdamp condenseert tot waterdruppels of desublimeert /rijpt tot ijs. In heel schoon water wat wordt afgekoeld onder de 0 graden C, zullen geen ijskristallen vormen tot ongeveer -40 graden als ineens alles bevriest. Om wel de eerste ijskristallen te laten vormen zijn condensatiekernen (condensatie kernen, Condensation Nuclei, CN) en bevriezingskernen (Ice Nuclei, IN) nodig, waar het ijskristal op kan vormen. Hiervoor moet het water dus een beetje vervuild zijn. Hier zijn heel veel verschillende materialen voor, stof, roet, klei, zoutkristallen, vulkanische as etc.
De natuur blijkt echter ook een bijdrage te leveren en allerlei producten te leveren waarop condensatie dan wel sublimatie kan plaatsvinden. De natuur (planten en bodemleven) beinvloeden in die zin dus ons klimaat in zeer sterke mate (zie ook deze video).
In zes blogs binnen de serie "verbeterde voedselproductie" wordt stilgestaan bij verschillende natuurlijke materialen of producten waarop condensatie kan plaatsvinden en naar wanneer de productie van deze kernen (verhoogd) plaatsvind:
In zes blogs binnen de serie "verbeterde voedselproductie" wordt stilgestaan bij verschillende natuurlijke materialen of producten waarop condensatie kan plaatsvinden en naar wanneer de productie van deze kernen (verhoogd) plaatsvind:
- In blog vv 3a wordt uitgelegd hoe bomen stoffen (zogeheten VOC's) produceren die als condensatiekernen kunnen dienen. Bossen kunnen dus hun eigen wolken creeeren (zie daarvoor ook blog vv3b en blog vv3c).
- In blog vv 8a wordt ingezoomd op schimmels: de sporen van schimmels blijken ook condensatiekern te zijn. Mogelijk dat zelfs 25% van alle condensatiekernen sporen van schimmels zijn.
- In blog vv 8b (deze blog) wordt gekeken naar andere natuur producten waarop condensatie kan plaatsvinden: bacterien, pollen en de door plankton en algen geproduceerde stof dimethyl sulfide (DMS) kunnen allemaal als condensatiekern optreden.
- In blog vv 8e wordt gekeken naar welke bijdrage virussen kunnen leveren als condensatiekern.
- In blog vv 8f wordt gekeken naar hoe de neerslagkernen toenemen tijdens regenbuien en wat de invloed van deze extra wolken boven bossen vervolgens is.
- In blog vv 8g wordt gekeken naar de samenhang tussen verdamping, luchttemperatuur, aerosolen en extreme dan wel milde neerslag.
Plankton en algen
In 1987 is voor het eerst het proces beschreven dat coccolithophoren (een plankton) dimethyl sulfide (DMS) maken, (zie ook deze en deze publicatie). Deze DMS is de typische geur die je vaak aan de kust ruikt. De plankton produceert de DMS, dit gas stijgt op uit het water. In de lucht oxideert een deel van deze stof tot zwavel. Deze sulfaat is in de lucht een belangrijke CN, die dus zorgt voor wolkenvorming boven zee. Volgens de wikipedia pagina is de grootste dichtheid van coccolithophoren tussen de 40 en 60 graden zowel noorderbreedte als zuiderbreedte. De grootste diversiteit van soorten coccolithophoren treedt echter op tussen de keerkringen (bron). Ik heb nog niet gevonden waar de meeste DMS geproduceerd wordt (dit kan immers per soort verschillen). Wel is duidelijk dat de coccolithophoren het beter doen in warmer water, en dan ook meer DMS maken. Hierdoor kunnen er meer wolken vormen, zodat het water minder opwarmt, hoe warm het optimum is hangt af per soort.American scientist geeft aan dat deze stof ook wordt geproduceerd bij het verrotten van zeewier en bij het verrotten van vis. Ook gezond koraal kan in grote mate DMS produceren (artikel). Bij koraal is de productie echter afhankelijk van de temperatuur van het zeewater, bij een stijging van een aantal graden kan de productie al sterk afnemen. Verder blijken ook phaeocystis (die tot de algen behoren) DMS te kunnen maken. Daarnaast blijken ook bepaalde schimmels, waaronder truffels (bron) DMS te produceren. Ook voor deze groep geldt dat de optimum temperatuur per soort verschilt (bron).
De impact van de biologische DMS productie is vrij groot, hoewel 23% van zwavel in de lucht van marine oorsprong is, is de impact hiervan veel groter; de impact komt overeen met 43% van de zwavel in de lucht. Dit komt omdat de antropogene zwavel die de lucht wordt ingebracht een vrij beperkte invloed heeft en vrij snel weer uit de lucht is verdwenen. De marine sulfaat heeft dus een behoorlijke grote invloed op de sulfaat hoeveelheden die CN zijn, en daarmee is deze productie van groot belang voor de wolkenvorming boven zee en mogelijk daarmee voor de regen aan de kust.
Een ander interessante bron van regenmakers zijn de een-cellige algen Emiliania huxleyi. Deze algen (die fotosynthese uitvoeren) komen zeer veel voor aan de oppervlakte van de oceanen. Als de algen sterven kunnen ze in de lucht terecht komen. Omdat ze zeer licht zijn, blijven ze langer in de lucht dan andere CN. Hierdoor neemt de concentratie van deze algen restanten toe ten opzichte van andere CN, zoals zout kristallen. Door het relatief grote oppervlak van de deeltjes zijn ze een goede CN en kunnen ze mogelijk ook een behoorlijke invloed hebben op wolkenvorming boven zee (artikel, nieuwsbericht).
Lang is er alleen onderzoek beschikbaar geweest naar drie bacterien: Pseudomonas syringae, Erwinia herbicola of Pantoea agglomerans, en Pseudomonas Fluorescens. Alle 3 de bacterien kunnen ijsvorming veroorzaken tussen -1 en -5 graden C.
Onderzoek naar de impact van verschillende typen IN heeft laten zien dat bacterien zeer effectief zijn voor bevriezing: terwijl veel andere typen kernen pas bij -20 tot -30 graden C echt effectief worden, zijn de onderzochte bacterien al effectief bij -5 tot -10 graden C.
Bacterien
In 1978 werd voor het eerst de gedachte geopperd dat bacterien ook een rol speelden in het proces van wolkenvorming door David Sands, van Montana State University. Het heeft lang geduurd, voordat hier goed bewijs voor kon worden opgebouwd.Lang is er alleen onderzoek beschikbaar geweest naar drie bacterien: Pseudomonas syringae, Erwinia herbicola of Pantoea agglomerans, en Pseudomonas Fluorescens. Alle 3 de bacterien kunnen ijsvorming veroorzaken tussen -1 en -5 graden C.
- De eerste bacterie is zogeheten bacteriekanker, die vooral optreedt bij steenvruchten, zoals kersen en pruimen.
- De tweede kan juist gebruikt worden tegen pest management, vooral van de Erwinia amylovora, die ziekten kan veroorzaken op appel en perenbomen.
- De derde zit vooral rond de wortels van de planten om ze te beschermen tegen bepaalde schimmel infecties.
Onderzoek naar de impact van verschillende typen IN heeft laten zien dat bacterien zeer effectief zijn voor bevriezing: terwijl veel andere typen kernen pas bij -20 tot -30 graden C echt effectief worden, zijn de onderzochte bacterien al effectief bij -5 tot -10 graden C.
 |
| Bron: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012/cs/c2cs35200a |
Er worden twee redenen genoemd waarom het voor bacterien gunstig zou zijn dat ze bij temperaturen net onder 0 graden C al voor ijsvorming kunnen zorgen: aangezien deze
bacterien ook in wolken worden gevonden, zorgen ze door de snelle bevriezing voor snelle regenvorming, wat resulteert in een korte
verblijftijd in de lucht en daarmee voor een snelle verspreiding naar andere gebieden. Voor pathogenen geldt dat ze door de vorstschade de plant makkelijker kunnen
binnendringen: de ijsvorming bij vorst kan de cellen laten openbreken
(ijs heeft een grotere dichtheid dan water), waardoor de bacterie de
plant binnen kan dringen.
In 2008 is er echter een zeer uitgebreide studie verschenen die hier een grote vervolgstap in heeft gezet door Brent Christner, van Louisiana State University (nieuwsartikel 1, nieuwsartikel 2, wetenschappelijk artikel, onderzoeksmateriaal, achtergrondartikel 1, achtergrondartikel 2).
Metingen in de wolken laten zien dat er ongeveer 104 microben per m3 lucht aanwezig zijn (artikel 1 en artikel 2). Onderzoek op verschillende plaatsen in de VS en Frankrijk hebben ze metingen uitgevoerd naar IN, en ze vonden 5 tot 500 IN per liter, waarbij 95% van de IN van biologische oorsprong was. Van deze 95% was minstens 45% van bacteriele oorsprong. Ander onderzoek heeft laten zien dat ongeveer 1/3 van de kernen in ijskristallen in wolken materiaal van biologische oorsprong was.
Een belangrijke impact van dit onderzoek is dat bacterien belangrijk blijken te zijn voor de vorming van neerslag. Als nu de bacterien verdwijnen, wordt er daarmee ook minder regen gevormd, terwijl er mogelijk nog steeds dezelfde hoeveelheid water in de lucht is, met minder regen of zelfs een droogte op de grond tot gevolg. Recent onderzoek heeft laten zien dat wereldwijd de plantengroei in de afgelopen 20 jaar met 59% is afgenomen door drogere lucht.
Het omgekeerde kan ook gebeuren: als je de juiste planten met de juiste bacterie kolonien plant, kun je juist meer neerslag "zaaien". Tegelijkertijd kan een teveel aan bacterien in de lucht resulteren in te kleine ijskristallen, waardoor ze niet naar beneden vallen en er dus geen regen plaatsvindt.
Een aanvullend effect hierop is dat het erop lijkt dat bacterien zichzelf in de lucht schieten / door de neerslag in de lucht worden geschoten, en daarmee voor verlenging van de neerslag kunnen zorgen (abstract, wetenschappelijk artikel). Onderzoek hiernaar in Australie lijkt erop te duiden dat dit effect minder is geworden sinds de jaren 60. Een mogelijke verklaring voor deze afname is dat door toepassing van kunstmest in de landbouw er minder bacterien in de bodem zitten (de ruilhandel van voedingsstoffen tussen planten en bodemleven in de bodem wordt minder, waardoor er minder bacterien in de bodem kunnen leven), waardoor er dus ook minder bacterien zijn om de lucht te worden ingeschoten (zie ook .
Kortom, het lijkt erop dat bacterien een zeer belangrijke rol spelen bij neerslag en dat door verandering van het landschap ook de neerslagpatronen enorm kunnen veranderen. Onderstaande video vat dit geheel samen (bron).
In 2008 is er echter een zeer uitgebreide studie verschenen die hier een grote vervolgstap in heeft gezet door Brent Christner, van Louisiana State University (nieuwsartikel 1, nieuwsartikel 2, wetenschappelijk artikel, onderzoeksmateriaal, achtergrondartikel 1, achtergrondartikel 2).
Metingen in de wolken laten zien dat er ongeveer 104 microben per m3 lucht aanwezig zijn (artikel 1 en artikel 2). Onderzoek op verschillende plaatsen in de VS en Frankrijk hebben ze metingen uitgevoerd naar IN, en ze vonden 5 tot 500 IN per liter, waarbij 95% van de IN van biologische oorsprong was. Van deze 95% was minstens 45% van bacteriele oorsprong. Ander onderzoek heeft laten zien dat ongeveer 1/3 van de kernen in ijskristallen in wolken materiaal van biologische oorsprong was.
Een belangrijke impact van dit onderzoek is dat bacterien belangrijk blijken te zijn voor de vorming van neerslag. Als nu de bacterien verdwijnen, wordt er daarmee ook minder regen gevormd, terwijl er mogelijk nog steeds dezelfde hoeveelheid water in de lucht is, met minder regen of zelfs een droogte op de grond tot gevolg. Recent onderzoek heeft laten zien dat wereldwijd de plantengroei in de afgelopen 20 jaar met 59% is afgenomen door drogere lucht.
Het omgekeerde kan ook gebeuren: als je de juiste planten met de juiste bacterie kolonien plant, kun je juist meer neerslag "zaaien". Tegelijkertijd kan een teveel aan bacterien in de lucht resulteren in te kleine ijskristallen, waardoor ze niet naar beneden vallen en er dus geen regen plaatsvindt.
Een aanvullend effect hierop is dat het erop lijkt dat bacterien zichzelf in de lucht schieten / door de neerslag in de lucht worden geschoten, en daarmee voor verlenging van de neerslag kunnen zorgen (abstract, wetenschappelijk artikel). Onderzoek hiernaar in Australie lijkt erop te duiden dat dit effect minder is geworden sinds de jaren 60. Een mogelijke verklaring voor deze afname is dat door toepassing van kunstmest in de landbouw er minder bacterien in de bodem zitten (de ruilhandel van voedingsstoffen tussen planten en bodemleven in de bodem wordt minder, waardoor er minder bacterien in de bodem kunnen leven), waardoor er dus ook minder bacterien zijn om de lucht te worden ingeschoten (zie ook .
Kortom, het lijkt erop dat bacterien een zeer belangrijke rol spelen bij neerslag en dat door verandering van het landschap ook de neerslagpatronen enorm kunnen veranderen. Onderstaande video vat dit geheel samen (bron).
Pollen
Een derde groep die een bron is voor wolkenvorming zijn pollen. Boven bossen worden wolken gevormd door de pollen die door billioenen bloemen worden geproduceerd. Pollen zijn voornamelijk CN, maar bij lage temperaturen kunnen ze ook als IN fungeren (zie de figuur bovenaan). Niet alle pollen zijn geschikt als CN, omdat sommigen hydrofoob en anderen hydrofiel zijn.Vergeleken met andere CN zijn pollen relatief groot: de kleinste pol is van vergeet-me-niet-tjes (~4 µm), de grootste is van de pompoen familie (~200 µm) (bron), waarbij de meest dominante groep zich bevindt tussen de 20 en 45 µm (bron). De rol die de pollen vervullen hangt af van de diameter: hoe kleiner deze is, hoe meer ze bij de druppel vorming betrokken zijn. De grotere kernen spelen een rol bij het samensmelten van druppels tot grotere regendruppels die kunnen uitregenen.
 |
| Bron: http://www.dwd.de/EN/research/observing_atmosphere/composition_atmosphere/aerosol/cont_nav/particle_size_distribution.html |
De relatie tussen pollen en neerslag is niet altijd even duidelijk, omdat er zo veel verschillende NC en IC zijn. Deze studie vond in Frankrijk een correlatie tussen de neerslag die viel tussen augustus en januari en de totale aantal pollen in de lucht in die periode.
De impact van pollen wordt door sommigen als beperkt gezien, vanwege de relatief korte verblijftijd van pollen in de lucht. De pollen kunnen echter uit elkaar vallen in nog kleinere deeltjes, om dan zogeheten supppollen particles (SSP) te vormen. Doordat deze SSP nog kleiner zijn, fungeren deze zowel als IN en als CN (bron).
Daarnaast geven verschillende planten/bomen op verschillende momenten pollen af, waardoor (bijna) het hele jaar pollen in de lucht kunnen zitten (zie de figuur hieronder).
 |
| Bron: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/2015GL064060 |
De impact van pollen en SSP op condensatie en bevriezing lijkt op dit moment nog niet volledig goed te bepalen. De hoeveelheid pollen die worden geproduceerd in combinatie met hoeveel er worden geteld, doet echter vermoeden dat er wel degelijk een substantiele bijdrage is aan wolkenvorming door pollen.
Voor wolkenvoming op zee blijkt dat de productie van DMS door het leven op zee (algen, plankton, maar ook koraaldieren) van groot belang is, waarmee deze de wolkenvorming boven zee beinvloeden. Verminderde DMS productie (bijvoorbeeld door het koraal bij Australie) in kustzones kan leiden tot minder neerslag op het land.
Bacterien lijken een belangrijke regenmaker te zijn, die lang over het hoofd is gezien. Ze lijken zeer goed in het fungeren als IN bij temperaturen net onder het vriespunt en worden ook in grote mate terug gevonden in sneeuw en ijs. Goed begrip van deze bacterien is van groot belang omdat als ze ontbreken, droogte kunnen veroorzaken. Als ze echter in te grote aantallen aanwezig zijn, kunnen ze ook voor droogte zorgen, omdat druppels te klein blijven en dus niet uit de lucht vallen.
Pollen en afgebroken pollen zijn een groep waarvan de impact als IN en CN op dit moment nog niet volledig duidelijk is. Dat ze IN en CN zijn is echter wel duidelijk.
In een eerdere blog heb ik stil gestaan bij de impact van successie op bodemleven. Hierbij heb ik ook laten zien dat hoe verder een systeem verbost, hoe meer bacterien er gaan leven, maar vooral hoe meer schimmels er gaan leven. De combinatie maakt dat bossen dus een fascinerend "wezen" zijn.
De bomen produceren hun eigen CN (VOC's), de resten van de bladeren zijn vaak zeer effectieve IN of CN, ze controleren zelf de verdamping van het water, waarmee ze de vorming van wolken kunnen bepalen en de bacterien en de schimmels die om en onder hen leven dragen daar ook nog eens aan bij.
https://books.google.nl/books?id=JR4H2by2D9QC
http://ioccg.org/wp-content/uploads/2018/07/neukermans-2018_coccos_gn_fordistr-sm.pdf
http://repository.essex.ac.uk/5676/1/Malin%20and%20Steinke%20CoccoBook%202004.pdf
https://www.researchgate.net/publication/216027231_Oceanic_Phytoplankton_Atmospheric_Sulfur_Cloud_Albedo_and_Climate
Conclusie
In 2 eerdere blogs heb ik stil gestaan bij de grote impact van bomen en schimmels op regenvorming. In deze blog heb ik gekeken naar 3 andere regenmakers: algen/plankton, bacterien en pollen.Voor wolkenvoming op zee blijkt dat de productie van DMS door het leven op zee (algen, plankton, maar ook koraaldieren) van groot belang is, waarmee deze de wolkenvorming boven zee beinvloeden. Verminderde DMS productie (bijvoorbeeld door het koraal bij Australie) in kustzones kan leiden tot minder neerslag op het land.
Bacterien lijken een belangrijke regenmaker te zijn, die lang over het hoofd is gezien. Ze lijken zeer goed in het fungeren als IN bij temperaturen net onder het vriespunt en worden ook in grote mate terug gevonden in sneeuw en ijs. Goed begrip van deze bacterien is van groot belang omdat als ze ontbreken, droogte kunnen veroorzaken. Als ze echter in te grote aantallen aanwezig zijn, kunnen ze ook voor droogte zorgen, omdat druppels te klein blijven en dus niet uit de lucht vallen.
Pollen en afgebroken pollen zijn een groep waarvan de impact als IN en CN op dit moment nog niet volledig duidelijk is. Dat ze IN en CN zijn is echter wel duidelijk.
In een eerdere blog heb ik stil gestaan bij de impact van successie op bodemleven. Hierbij heb ik ook laten zien dat hoe verder een systeem verbost, hoe meer bacterien er gaan leven, maar vooral hoe meer schimmels er gaan leven. De combinatie maakt dat bossen dus een fascinerend "wezen" zijn.
De bomen produceren hun eigen CN (VOC's), de resten van de bladeren zijn vaak zeer effectieve IN of CN, ze controleren zelf de verdamping van het water, waarmee ze de vorming van wolken kunnen bepalen en de bacterien en de schimmels die om en onder hen leven dragen daar ook nog eens aan bij.
|
| Bron: Elaine Ingham; https://vimeo.com/250723320 |
Bronnen:
Algen:https://books.google.nl/books?id=JR4H2by2D9QC
http://ioccg.org/wp-content/uploads/2018/07/neukermans-2018_coccos_gn_fordistr-sm.pdf
http://repository.essex.ac.uk/5676/1/Malin%20and%20Steinke%20CoccoBook%202004.pdf
https://www.researchgate.net/publication/216027231_Oceanic_Phytoplankton_Atmospheric_Sulfur_Cloud_Albedo_and_Climate
https://www.sciencemag.org/news/2018/08/alga-may-be-seeding-world-s-skies-clouds#
https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(18)30105-6
Bacterien:
https://gardenculturemagazine.com/growology/soil-and-organics/healthy-soil-microbes-make-rain/
http://russabbott.blogspot.com/2009/01/rainmaking-bacteria-ride-clouds-to.html
http://www-das.uwyo.edu/~jsnider/caple_jtb_1986.pdf
https://aem.asm.org/content/aem/36/6/831.full.pdf
https://www.newscientist.com/article/mg23030690-400-rain-makers-how-highflying-bacteria-could-control-the-clouds/
Pollen:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/5/4/044015
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018GL077692
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=90C1789E83FB30FCCA3DF73A9EB6D7B3?doi=10.1.1.600.8440&rep=rep1&type=pdf
Geen opmerkingen:
Een reactie posten