Lov om sodlysabsorption:Nuværende klimamodeller undervurderer opvarmning med sort kulstofaerosol

Sod bøvser ud af dieselmotorer, stiger fra brænde- og møgbrændende komfurer og skyder ud af olieraffinaderiets stakke. Ifølge nyere forskning, luftforurening, inklusive sod, er forbundet med hjertesygdomme, nogle kræftformer og, i USA, så mange som 150, 000 tilfælde af diabetes hvert år.

Ud over dets indvirkning på sundheden, sod, kendt som sort kulstof af atmosfæriske videnskabsmænd, er et kraftigt middel til global opvarmning. Det absorberer sollys og fanger varme i atmosfæren i størrelsesorden kun næst efter den berygtede kuldioxid. Seneste kommentarer i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences kaldte fraværet af konsensus om sodens lysabsorptionsstørrelse "en af ​​de store udfordringer inden for atmosfærisk klimavidenskab."

Rajan Chakrabarty, assisterende professor ved School of Engineering &Applied Science ved Washington University i St. Louis, og William R. Heinson, en National Science Foundation postdoc-stipendiat i Chakrabartys laboratorium, tog den udfordring op og opdagede noget nyt om sod, eller hellere, en ny lov, der beskriver dens evne til at absorbere lys:loven om lysabsorption. Med det, videnskabsmænd vil være i stand til bedre at forstå sods rolle i klimaforandringerne.

Forskningen er blevet udvalgt som et "Redaktørers forslag" offentliggjort online 19. november i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

På grund af dets evne til at absorbere sollys og direkte opvarme den omgivende luft, klimaforskere inkorporerer sod i deres modeller - beregningssystemer, der forsøger at kopiere forholdene i den virkelige verden - og derefter forudsige fremtidige opvarmningstendenser. Forskere bruger observationer fra den virkelige verden til at programmere deres modeller.

Men der har ikke været enighed om, hvordan man kan inkorporere sods lysabsorption i disse modeller. De behandler det for forsimplet, bruge en kugle til at repræsentere en ren, sort kulstof aerosol.

"Men naturen er sjov, det har sine egne måder at tilføje kompleksitet, " sagde Chakrabarty. "Med masse, 80 procent af alt sort kulstof, du finder, er altid blandet. Det er ikke perfekt, som modellerne behandler det."

Partiklerne blandes, eller belagt, med organiske aerosoler, der udsendes sammen med sod fra et forbrændingssystem. Det viser sig, sort kulstof absorberer mere lys, når det er belagt med disse organiske materialer, men størrelsen af ​​absorptionsforøgelsen varierer ikke-lineært afhængigt af hvor meget belægning der er til stede.

Chakrabarty og Heinson ønskede at finde ud af et universelt forhold mellem mængden af ​​belægning og sodens evne til at absorbere lys.

Først, de skabte simulerede partikler, der lignede dem, der findes i naturen, med varierende grader af organisk belægning. Derefter, ved hjælp af teknikker lånt fra Chakrabartys arbejde med fraktaler, holdet gennemgik krævende beregninger, måling af lysabsorption i partikler bit for bit.

Når de plottede absorptionsstørrelserne mod procentdelen af ​​organisk belægning, resultatet var, hvad matematikere og videnskabsmænd kalder en "universel magtlov". Det betyder at, efterhånden som mængden af ​​belægning stiger, sods lysabsorption stiger forholdsmæssigt relativt.

(Længden og arealet af et kvadrat er relateret af en universel magtlov:Hvis du fordobler længden af ​​siderne af et kvadrat, arealet øges med fire. Det er ligegyldigt, hvad den oprindelige længde af siden var, forholdet vil altid holde.)

De vendte sig derefter til arbejde udført af forskellige forskningsgrupper, der målte omgivende sodlysabsorption over hele kloden, fra Houston til London til Beijing. Chakrabarty og Heinson plottede igen absorptionsforbedringer i forhold til procentdelen af ​​belægning.

Resultatet var en universel magtlov med samme en tredjedel-forhold, som blev fundet i deres simulerede eksperimenter.

Med så mange forskellige værdier for lysabsorptionsforbedring i sod, Chakrabarty sagde, at klimamodellerne er forvirrede. "Hvad i alverden gør vi? Hvordan redegør vi for virkeligheden i vores modeller?

"Nu har du orden i kaos og en lov, " sagde han. "Og nu kan du anvende det på en beregningsmæssigt billig måde."

Deres resultater peger også på, at opvarmning på grund af sort kulstof kunne være blevet undervurderet af klimamodeller. At antage sfærisk form for disse partikler og ikke tage korrekt højde for lysabsorptionsforbedring kan resultere i væsentligt lavere opvarmningsestimater.

Rahul Zaveri, senior videnskabsmand og udvikler af den omfattende aerosolmodel MOSAIC ved Pacific Northwest National Laboratory, kalder resultaterne et væsentligt og rettidigt fremskridt.

"Jeg er især begejstret for den matematiske elegance og ekstreme beregningseffektivitet ved den nye parameterisering, " han sagde, "som ganske let kan implementeres i klimamodeller, når den ledsagende parameterisering til lysspredning af belagte sorte kulstofpartikler er udviklet."