Revidering af klimamodeller med nye aerosolfeltdata

Røg fra de mange naturbrande, der brænder i Vesten, har gjort luftkvaliteten farlig for millioner af mennesker i USA. Og det er den allermindste af aerosolpartiklerne i den luft, der gør den særlig skadelig for menneskers sundhed. Men i årtier, vi har ikke vidst, hvor længe disse partikler rent faktisk holder sig oppe.

Ny forskning fra forskere ved Colorado State University giver os en meget bedre forståelse af denne proces, som ikke kun kan hjælpe med prognoser for luftkvalitet, men også inden for global klimamodellering.

Aerosolpartikler, uanset om det er fra røg i naturen eller biludstødning, spiller en stor rolle for, hvor meget varme der absorberes eller afbøjes af atmosfæren. Imidlertid, vi har ikke helt forstået, hvor hurtigt disse små partikler blev trukket ud af luften - især i mangel af fugt. Dette har tilføjet betydelig usikkerhed til allerede komplekse klimamodeller.

Delphine Farmer, lektor ved Institut for Kemi i CSU College of Natural Sciences, vidste det var på tide, vi kunne gøre det bedre.

Landmand og hendes kolleger meddelte for nylig, at de har været i stand til at opdage, i virkelige miljøer-fra skove til græsarealer-den hastighed, hvormed disse vigtige partikler rent faktisk forlader atmosfæren. Deres fund dukkede først op online ugen den 5. oktober i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Dette arbejde fremhæver virkelig vigtigheden og kraften af ​​feltmålinger, "Landmand sagde." Vi kan direkte bruge observationer fra feltundersøgelser til at indsnævre usikkerheden i klimamodeller, og for at forbedre vores forståelse af klimarelevante processer. "

Nulstiller usikkerhed

Aerosolpartikler falder ud af luften på to hovedmåder. Den første og mest almindelige er kendt som "våd" aflejring, når fugt hiver dem ud af luften, om det er gennem skydannelse, sne, eller nedbør. Forskere har haft et ganske godt styr på denne kraft, som tegner sig for omkring 80% af aerosoleffekten i atmosfæren.

Men den anden kraft, "tør" aflejring, har været meget mere mystisk, selvom det spiller en ikke ubetydelig rolle globalt. Fordi aerosoler er så små (målt i nanometer og mikrometer), falder de ikke bare ned på grund af tyngdekraften. De kan svømme i luftstrømme i lang tid. Lige hvor længe, imidlertid, har været spørgsmålet.

"Når en partikel udsendes til atmosfæren, hvor lang tid det hænger i luften afhænger af disse fjernelsesprocesser, "Sagde landmand. Det er afgørende, forklarede hun, fordi "jo længere en partikel hænger ud i atmosfæren, jo flere muligheder det har for at rejse længere, eller lav skyer, eller påvirke menneskers sundhed. Så det er vigtigt at få fjernet processen til at forudsige partikelkoncentrationer - og deres virkninger. "

Tidlige resultater fra teoretiske beregninger i 1970'erne og 80'erne, og råere målinger gennemført på glatte overflader omkring 2000, er blevet fodret med klimamodeller i årtier.

Det er her landmand, som har foretaget en forskningskarriere, der sporer atmosfærisk kemi med instrumenter i høj opløsning, så en mulighed for forbedring.

Forbedrede klimamodeller - og menneskers sundhed

Landmand og hendes kolleger vidste det, selvfølgelig, landets - og endda havets - overflade er ikke helt glat. Så de ville se, hvad der egentlig skete med disse partikler i den virkelige verden.

I særdeleshed, de så på kræfterne ud over tyngdekraften, der drev disse aerosols rejser. "For de små, klima- og sundhedsrelevante partikler, turbulens i atmosfæren bringer partikler ned til overflader og gør det muligt for disse partikler at sidde fast, "Sagde landmand.

Og på grund af dette, disse små partikler har ikke en lige vej til en overflade - især ikke i et komplekst overflademiljø som en skov. Landmand forklarede det som hver mikroskopisk aerosolpartikel, der kører sin egen handske, "lidt ligesom American Ninja Warrior, hvor partiklen skal undgå at ramme forskellige forhindringer for at blive i atmosfæren. Og hver handske er særligt udfordrende for forskellige størrelser af partikler. "

For at se hvordan disse partikler af forskellig størrelse klarede sig i denne forhindringsbane, forskerne indsatte et aerosolspektrometer med ultrahøj følsomhed, som bruger en laser til at tælle partikler. De oprettede målestationer i en fyrreskov i Manitou Experimental Forest i Colorado, og i græsarealer i de sydlige store sletter i Oklahoma, at fange virkelige data om disse partikler, da de til sidst landede.

"Vi målte, hvor hurtigt forskellige partikler kører denne handske, "Farmer forklarede." Derefter brugte vi disse målinger til at finde ud af, hvilken del af handsken, der bremsede forskellige partikler. "

De fandt en meget snævrere levetid for disse vigtige partikler, end tidligere modellering havde foreslået. Faktisk, de gamle forudsigelser regnede med en hurtigere fjernelse af de meget små partikler (dem mindre end 100 mikron) og en langsommere fjernelse af de større partikler (dem større end 400 mikron).

"Det betyder, at vi muligvis har undervurderet den indirekte aerosoleffekt i modeller, "Den bonde sagde." Den gode nyhed er, at vi har overvurderet usikkerheden - vi kender nu partikeltab bedre. "

De nye fund kan anvendes på alle slags ujævne overflader, fra skove til græsarealer til landbrugsområder endda til hakket hav.

Flere aerosoleffekter over land

Når de integrerer deres fund i modeller af aerosoleffekter globalt, Landmand og hendes medforfattere forudsiger, at der vil være mere aerosoleffekt end tidligere antaget i visse landområder, herunder dele af Nordamerika, Europa, Asien, Sydamerika, Australien, og Afrika syd for Sahara-og en sænkning af aerosoleffekten over oceaner.

"Det viser sig, at partiklernes race om at slå sig ned på en overflade er temmelig vigtig for at forudsige strålingsvirkninger" og hvordan det fremtidige klima kan se ud, Landmand sagde.

Deres nye data tyder også på, at vi har undervurderet mængden af ​​aerosoler i luften, der er mest skadelige for menneskers sundhed, de mindre end 2,5 nanometer (også kendt som PM2,5), som er, for eksempel, den mest farlige del af ild i røg.

"Vores reviderede [antal] øger overfladens PM2,5 -koncentrationer med 11% globalt og 6,5% over land, "Farmer og hendes samarbejdspartnere skrev i deres nye papir. Hvilket er vigtigt at vide, fordi" eksponering for PM2.5 er knyttet til luftvejs- og hjerte -kar -sygdomme. "

Medforfattere til undersøgelsen omfattede Jeffery Pierce, lektor ved Institut for Atmosfæriske Videnskaber i Walter Scott, Jr. College of Engineering, og Kelsey Bilsback, en postdoktor der; samt doktorgradsforskere ved Institut for Kemi Ethan Emerson, Anna Hodshire, og Holly DeBolt; og Gavin McMeeking fra Handix Scientific -virksomheden i Boulder.

Dette vigtige arbejde viser også, hvor avancerede - og effektive - feltmålingsteknologier bliver.

"Til mig, the most exciting aspect of this work is that we are able to take real-world measurements over a forest and a grassland site and use them to directly improve our understanding of the climate system, " Farmer said.