Forskeren undersøger reflektivitet af atmosfæriske aerosoler

Jon Thompson søger at opdage, hvordan partikels sammensætning og morfologi påvirker deres evne til at absorbere eller reflektere lys, dermed varme eller afkøle klimaet.

Fokus på de underliggende årsager til klimaændringer er hovedsageligt centreret om kuldioxid (CO2), som kan leve i atmosfæren i mere end 100 år. At reducere mængden af ​​kuldioxid har været målet for mange, der arbejder for at reducere klimaændringer.

Men kuldioxid er ikke den eneste faktor, der har ført til et ændret klima. Partikler, mere almindeligt kendt som atmosfæriske aerosoler, eksisterer i atmosfæren med et antal koncentrationer på flere tusinde pr. kubikcentimeter luft og enten kan varme eller afkøle atmosfæren. Aerosoler, der absorberer sollys stærkt, vil varme atmosfæren, mens dem, der reflekterer sollys tilbage i rummet, vil afkøle jorden. Det specifikke forhold mellem lys reflekteret og absorberet lys er afgørende for at bestemme nettoeffekten. Dette forhold er beskrevet af aerosolalbedo.

Men hvad er de faktorer, der bestemmer den nøjagtige mængde lys, der absorberes eller reflekteres af aerosol? Dette er spørgsmålet, Texas Tech University -forsker Jon Thompson har forsøgt at løse siden hans dage som doktorand.

"På det tidspunkt vidste man, at aerosoler sandsynligvis havde indflydelse på klimaet, men forskere ønskede bedre kvantitative begrænsninger for disse effekter, "sagde Thompson, en lektor i Institut for Kemi &Biokemi. "Det overordnede videnskabelige spørgsmål er, hvad er klimaeffekten af ​​de atmosfæriske aerosoler? Øger eller reducerer tilstedeværelsen af ​​aerosoler planetens reflekterende, og hvad er nettoeffekten på temperaturen? "

At gøre det, forskere har undersøgt ikke kun de forskellige typer aerosoler, der findes i atmosfæren, men også deres kombination med andre kemikalier, især sort kulstof, og hvordan det påvirker reflektivitet.

Hvad er en aerosol?

Nævn aerosol til den gennemsnitlige person, og de har visioner om hårspray eller andre husholdningsemissioner fra en trykbeholder, der spredes i en tåge. Men det er ikke den type aerosol, Thompson og hans medforskere har undersøgt gennem årene.

"Jeg forstår det faktisk meget, og det er en af ​​de misforståelser, folk tror ofte, at jeg forsker i deodoranter eller sådan noget, "Sagde Thompson.

En aerosol er defineret som en blanding af fine faste partikler eller flydende dråber i luft eller en anden gas. Der er flere kilder til aerosoler, der findes i atmosfæren, men de falder hovedsageligt i to kategorier - naturlige eller menneskeskabte, også kendt som menneskeskabt.

En naturlig aerosolkilde, der er mest almindelig for West Texas, er vindblæst støv, som forekommer i områder med høj vind og lav luftfugtighed. Men vindblæst støv kan rejse flere tusinde miles fra dens kilde. Det er ikke ualmindeligt at finde ørkensandpartikler, der stammer fra Sahara -ørkenen i Florida eller endda East Texas. En anden naturlig aerosolkilde er havsalt -aerosol, som er sprayen skabt ved at bryde bølger i havet. En tredje kilde til naturlig aerosol skyldes vulkanudbrud, der frigiver svovldioxid (SO2), som kan reagere i atmosfæren for at danne sulfat -aerosol.

Sulfat aerosol er en sekundær aerosol, som er aerosoler dannet ved en kemisk reaktion i atmosfæren frem for at blive udsendt direkte. Men mange sekundære aerosoler har menneskeskabte kilder, såsom forbrænding af kul eller brændstoffer, der indeholder svovl, ammoniak produceret fra landbruget eller uforbrændte fossile brændstoffer.

"Når forstadiegasserne begynder at reagere, de har en tendens til at inkorporere iltatomer i reaktionsprodukterne, og det gør de resulterende materialer mindre flygtige, "Sagde Thompson." Som et resultat, reaktionsprodukterne begynder at kondensere til andre partikler, hvilket øger massen af ​​den sekundære aerosol. Det er den proces, vi ser i mange store befolkningscentre, som Los Angeles og Bejing, Kina. "" Aflejringen af ​​yderligere materiale kan dramatisk ændre de optiske egenskaber af partiklerne, så at studere processen og de deraf følgende ændringer er afgørende for at forstå aerosolens klimaeffekt. "

Måling af aerosolens optiske egenskaber

Thompson begyndte at undersøge spørgsmålet om aerosoloptik som en del af en gruppe, der tilpassede Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) -metoden til måling af aerosoler, mens han arbejdede med sin afhandling. CRDS er en proces, hvor lys fra en pulserende laser hopper frem og tilbage mellem stærkt reflekterende spejle for at skabe en lang vej - normalt flere kilometer - for at måle optisk tab.

Thompson og hans kolleger integrerede CDRS i Integrating Sphere Nepholometry (ISN), som oprindeligt blev udviklet af forskere ved University of Nevada-Reno. ISN bruger lasere og et sfærisk kammer til at måle, hvor meget lys der spredes af aerosoler.

Ved at kombinere de to teknikker, Thompson og hans kolleger bestemte, at de samtidig kunne måle, hvor meget lys der spredes af aerosoler, og hvor meget der absorberes med den samme prøve, og ved at gøre det i en naturligt forekommende atmosfære forhindrede aerosolpartiklerne i at samle sig på et filter, som kan ændre resultater. Yderligere instrumentfremskridt har muliggjort måling af massekoncentrationen af ​​sort kulstof eller sod i forbindelse med de optiske målinger.

Dette er det, der er kendt som måling af aerosolens albedo.

"Hvis albedoen er lig med en, aerosolpartiklerne er perfekt reflekterende og absorberer slet ikke lys, "Sagde Thompson." Hvis albedoen er lig med nul, som aldrig forekommer, de er perfekt absorberende. Ikke desto mindre, vi kan måle dette forhold, og det er ekstremt vigtigt for at afgøre, om aerosolen i atmosfæren vil føre til opvarmning eller afkøling af klimaet. "

Sort kulstof

En af de største ukendte faktorer for, hvorvidt aerosoler vil absorbere eller reflektere lys, er deres interaktion med sort kulstof, som dannes ved ufuldstændig forbrænding fra diesel- eller benzinmotorer.

Blanding af sort kulstof med et sekundært materiale som organiske stoffer eller sulfater øger faktisk de blandede partiklers absorptionsevne, men hvor meget afhænger af, hvor det sorte kulstof er placeret, om det er i midten af ​​partiklen eller fastgjort til siden.

Fugtighed spiller også en stor faktor i partiklernes sammensætning. Sort kulstof i sig selv er ikke særlig adsorberende for vand, men når det blandes med sulfat eller nitrat, det bliver mere hygroskopisk og opsamler vand fra atmosfæren, som gør det muligt for partiklen at vokse.

"Vi vil studere partikelens organisering og vide, hvordan materialerne blandes, og hvor det sorte kulstof er placeret i partiklen, "Sagde Thompson." Opløses det? Fordybes den til midten af ​​dråben? Er det på overfladen? Hvordan påvirker det materialets lysabsorberende egenskaber? Vi mener, at disse detaljer ikke alle er blevet udarbejdet, alligevel har de dybe konsekvenser for mængden af ​​lys, der absorberes. "

Thompson har tidligere foretaget optiske målinger både i et laboratorium her i Lubbock - og i Houston, hvor klimaet er meget mere fugtigt langs Gulfkysten. Resultaterne fra disse forsøg viste løfte om, at med yderligere forskning, hemmelighederne til aerosolpartikelorganisation med sort kulstof kan låses op, og deres lysabsorberende tilbøjeligheder kan bestemmes.

Thompson og hans kolleger håber på at sikre yderligere finansiering til at fortsætte denne forskning i større skala.

"Alle disse ting skal udarbejdes for bedre at forstå, hvordan sort kulstof påvirker klimasystemet, "Sagde Thompson." Det er den slags ting, vi gerne vil arbejde med med de enheder, vi har udviklet. "