Naturbrande producerer mineraler, der fryser skyer

Visse partikler i atmosfæren har den unikke evne til at ændre skyernes egenskaber ved at få vanddråber til at fryse ved højere temperaturer, end de ville gøre alene. Med denne evne, disse såkaldte iskernedannende partikler kan i høj grad påvirke udviklingen af ​​skyer, nedbør, og klima. Tidligere forskning har peget på afbrænding af biomasse, såsom i naturbrande, som en væsentlig kilde til atmosfæriske partikler, nogle gange inklusive disse sjældne og undvigende iskernedannende partikler, men dette forhold mellem forbrænding og frigivelse af iskerner er ikke blevet forstået.

En ny undersøgelse fra Carnegie Mellon's Center for Atmospheric Particle Studies har til formål at besvare disse spørgsmål om iskernedannende partikler og deres forhold til biomasseforbrænding. Anført af Ryan Sullivan, lektor i kemi og maskinteknik, et team af forskere udførte omfattende eksperimenter med emissioner fra autentiske biomassebrændstoffer. De fandt ud af, at mineraler fra biomasseafbrænding er en uerkendt og vigtig kilde til iskernedannende partikler, der kan forklare meget af den fryseaktivitet, der observeres i røg fra skovbrande.

Holdet, herunder ph.d. studerende Leif Jahn, Michael Polen, Lydia Jahl, og Thomas Brubaker, først overvejede foreløbige beviser, de opnåede, der afslørede, at iskernedannelsesevnen af ​​partikler udsendt fra biomasseafbrænding - specifikt aerosol - blev stærkere over tid. Dette gik imod tidligere eksperimenter på området, som fandt ud af, at kemisk ældning nedbryder de fleste partikeltypers iskernedannelsesevne, eller ikke ændrer det.

Forskerne antog, at denne styrkede evne kom fra kemiske ændringer i de sorte kulstofsodpartikler i aerosolen. Sodpartikler er blevet antaget at være de iskerner, der frigives ved brændstofforbrænding, og partiklernes overflader bliver mere oxiderede, efterhånden som de ældes. Da sodpartiklerne oxiderede i atmosfæren, måske blev de mere hydrofile, øge deres iskernedannelsesevne, da iskernedannelse involverer vandmolekyler, der dannes på overfladen til et iskrystal-embryo.

"Vi lavede mange eksperimenter, og vores eksperimenter viste, at vores oprindelige hypotese ikke var rigtig, fordi de brændstoffer, der producerede mest sod, typisk havde de svageste iskernedannelsesegenskaber, eller ingen, vi kunne måle, " sagde Sullivan. "Så det så ikke ud til, at sod var forklaringen." Dette gav dem et kritisk fingerpeg om, at noget andet end grafitisk sod var ansvarlig for iskernedannelsen, de målte.

Forsøger stadig at forklare, hvorfor aerosolens iskernedannende egenskaber voksede efter ældning, Sullivan blev nysgerrig efter asken, der var tilbage i gryden, hvor de brændte brændstofferne under deres eksperimenter. Via røntgendiffraktion fra atomerne, der udgør asken, de fandt, at den aske, der havde de stærkeste iskernedannelsesegenskaber, også havde det mest krystallinske materiale i sig. Da de undersøgte de små submikron aerosolpartikler ved hjælp af elektron- og røntgenmikroskopi, de så også mineraler i prøverne, som var de bedste iskerner. Dette var et nøglefund, da tilstedeværelsen af ​​krystallinske mineraler er kendt for at drive iskernedannelsesevnen, men dette var ikke blevet undersøgt i både biomassebrændende aerosol og den efterladte aske.

Efter at have indsamlet autentiske prøver af biomassebrændstof fra forskellige nationale dyrereservater, de udførte flere eksperimenter for at udforske, hvordan ændringer i det originale brændstof relaterer sig til forskelle i røgudledningens fryseevne. De var i stand til at forbinde produktionen af ​​disse nye mineraler fra biomasseafbrænding til højere niveauer af mineraldannende elementer målt i nogle af de originale brændstoffer. De var også i stand til endeligt at udelukke sorte kulsodpartikler som kilden til iskernerne.

Det atmosfæriske kemiske samfund havde ikke fokuseret meget på mineraler produceret i biomassebrændende aerosol, fordi de antages at være fra allerede eksisterende jordpartikler eller støv, der var landet på træet eller planten og derefter blev resuspenderet i atmosfæren under skovbrande. Men Sullivan og hans team fandt ud af, at disse mineraler faktisk produceres fra selve forbrændingen. Hvis brændstoffet indeholder elementer som silicium, jern, aluminium, og calcium, når brændt, der dannes mineralholdige partikler. Højt græsbrændstoffer har en tendens til at producere flere iskernedannende partikler end træer, fordi de naturligt indeholder flere af de mineraldannende elementer i dem.

Sullivan ser dette som et eksempel på den videnskabelige metode, der virker. Deres oprindelige hypotese om, at sod var svaret, blev understøttet af foreløbige data og andre litteraturstudier, men deres eksperimentelle data sagde noget helt andet. Så, de udviklede forskellige eksperimenter og analysemetoder for at fortsætte deres undersøgelse. Dette har været et femårigt projekt og det primære fokus for Sullivans National Science Foundation (NSF) Career Award.

"Vores resultater er et helt andet perspektiv for det atmosfæriske kemiske samfund med hensyn til kilden til mineraler i biomassebrændende røg, " sagde han. "De har hjulpet med at løse langvarige usikkerheder vedrørende spørgsmålene om, hvorfor nogle biomassebrændstoffer skaber iskernedannende partikler, når de forbrænder, og andre ikke gør det. hvad er kilderne til partiklerne, og hvordan vil de udvikle sig, når de bevæger sig gennem atmosfæren."