Sort kulstof og anden forurening frø skyer. Var lige begyndt at forstå klimakonsekvenserne

Partikler, der hvirvler rundt i vores atmosfære, bidrager til klimaændringer, men meget om, hvordan de interagerer med sollys og påvirker såningen af ​​skyer, er stadig forvirrende. Undersøgelser løfter låget på, hvordan disse små partikler påvirker noget så stort som klimaet ved at analysere dem fra jetfly, satellitter og jordmålinger.

Den største årsag til klimaændringer er stigende niveauer af kuldioxid i atmosfæren. Denne stigning har fundet sted siden starten af ​​den industrielle revolution, og vi ved nu meget om, hvordan denne gas opfører sig, fanger varme og opvarmer jorden.

En langt mere mystisk indflydelse på klimaet kommer fra partikler - eller aerosoler - suspenderet i luften. Særligt vigtigt er sort kulstof, soden, der flyder af fra brændende vegetation og trafikdampe. Denne sorte ting rangerer som den næststørste bidragyder til klimaændringer. Men det er meget anderledes end kuldioxid.

"Mens kuldioxid forbliver i luften i hundreder af år, sort kulstof lever kun uger i atmosfæren, " forklarede professor Bernadett Weinzierl, atmosfærisk og aerosol videnskabsmand ved universitetet i Wien, Østrig.

Kuldioxid er en gas, der blander sig så godt, at dens koncentrationer er stort set de samme over Napoli som over Hawaii. På den anden side, mængden og typen af ​​aerosolpartikler i atmosfæren varierer afhængigt af, hvor du ser hen.

Virkningerne af partikeltyper er også forskellige. Sort kulstof absorberer varme og får luften til at varme op. Mineralstøv absorberer lys, men ikke så stærkt. Nogle andre partikler reflekterer lys væk fra Jorden. Forskere skal udføre en bogføringsøvelse, at opgøre, hvor meget nogle partikler opvarmer Jorden, trækker hvor meget andre køler vores planet fra.

komplicerer billedet, partikler frø de vanddråber, der til sidst udgør skyer. Typerne af partikler påvirker disse skyers egenskaber.

Forurenende stoffer

Prof. Weinzierl sporer menneskeskabte forurenende stoffer og naturlige partikler som støv fra ørkener i atmosfæren i et projekt kaldet A-LIFE.

For at prøve, hvad der flyder rundt i vores himmel, projektforskere fløj den tomotorede Dassault Falcon 20 fra German Aerospace Center (DLR) i det østlige Middelhav. I løbet af 22 flyvninger, flyet tog luft ind for at analysere partiklerne, der hvirvlede over og omkring Cypern i 2017.

Det østlige Middelhav er en ideel beliggenhed, fordi det indeholder sod fra biomasseafbrænding, støv fra Sahara-ørkenen og fra den arabiske ørken og sulfater og sort kulstof fra trafik- og industridampe. Flyet fløj så lavt som 300 meter og så højt som 12 km. Det brugte også lasere til at spore partikler i luften.

Prof. Weinzierl bemærkede, at når der var masser af støv, selv lokale vejrudsigter havde en tendens til at være mindre nøjagtige. Tilsvarende sådanne partikler kan tåge forudsigelser om klima.

Den østrigske professor deltog også i et eksperiment med et NASA forskningsfly, der fløj fra Nordpolen ned til midten af ​​Stillehavet, til den ydre rand af Antarktis og op ad Atlanterhavet. Denne mission gjorde det muligt for hende at sammenligne partikelcocktails i uberørte himmelstrøg væk fra menneskelig indflydelse, med dem i den stærkt forurenede himmel over det østlige Middelhav.

Prof. Weinzierl fandt flere store partikler, såsom mineralstøv, højt i atmosfæren end forudsagt. Selv i regioner på den nordlige halvkugle, meget langt væk fra kilder, 10 til 20 mikron partikler blev regelmæssigt fundet i luften, siger prof. Weinzierl. Menneskehår måler 100 mikron på tværs, til sammenligning, mens sort kulstof består af partikler mindre end en mikron tværs.

På den anden side, der var mindre sort kulstof til stede, end professoren forventede højt i atmosfæren. "Vi finder ud af, at modeller har mere sort kulstof i den øvre troposfære, end vi finder i naturen, " sagde hun. "Der er mindre opvarmning, end modellerne ville forudsige, fra sort kulstof."

En forklaring kunne være, at mere sort kulstof skylles ud af atmosfæren af ​​regn, end modellerne forudsiger.

Skyer

Aerosolpartikler er afgørende for skydannelse, og forskellige typer påvirker, hvordan skyerne vil opføre sig.

"Hver enkelt skydråbe dannes normalt på en aerosolpartikel, fordi skyer ikke kan dannes fra rent vand under atmosfæriske forhold, " sagde Philip Stier, professor i atmosfærisk fysik ved University of Oxford, i Storbritannien. Skydråber kan starte omkring molekyler, der udsendes af planter, svovlholdige forbindelser udspyet fra vulkaner eller sod fra køretøjers udstødningsrør, og mere.

Men videnskaben om aerosoler og skydannelse er forvirrende - og aerosolens egenskaber er vigtige. "Du skal vide om deres størrelse, om deres sammensætning og hvordan de blandes sammen, " sagde prof. Stier. F.eks. flydende havsalt absorberer hurtigt fugt, hvorimod rent sort kulstof har en tendens til at afvise vand.

Skyerne selv vil så adskille sig efter, hvordan de blev sået. "En sky i et forurenet område vil generelt starte fra flere aerosoler og dermed danne flere dråber, " sagde Prof. Stier. Til sidst vil en sky dannet omkring små menneskeskabte partikler normalt have mere rigeligt vand, mindre dråber.

Skyer bygget omkring salt eller ørkenstøv indeholder generelt færre dråber, men hver dråbe - ligesom de partikler, de danner omkring - er større. "Hvis luften er meget ren, så begynder skydråber ofte meget større, og disse skyer kan meget let regne ud, " tilføjede Prof. Stier. "Men det virkelige spørgsmål er, hvordan aerosoler påvirker nedbør på større skalaer."

Skyer med forurenende aerosoler indeholder flere vanddråber og ser lysere ud. Dette reflekterer lys, afkøle atmosfæren. "Det kan også være, at sådanne skyer lever længere, " sagde prof. Stier, "men disse virkninger forbliver usikre."

Aerosolpartikler og skyer introducerer usikkerheder i klimaforudsigelser. Deres kompleksitet og vanskeligheder med hensyn til beregninger betyder, at forskere stadig kæmper for at forstå skyer i mikroskopiske skalaer og i store skalaer. Men der sker fremskridt.

Prof. Stier undersøgte, hvordan aerosoler påvirker konvektive skyer som en del af ACCLAIM-projektet. Konvektive skyer dannes, når den varme luft stiger, og inkluderer de bløde cumulusskyer, du kan se på en sommerdag. De er dårligt repræsenteret i klimamodeller, siger prof. Stier, men nye stationære satellitter hjælper med at spore dem bedre.

Varme

Prof. Stier undersøger nu, hvordan aerosolpartikler i vores himmel påvirker nedbør i et projekt kaldet RECAP. Han studerer atmosfærens energibalance i små skalaer og på tværs af ekspansive skyfelter. For eksempel, når det regner, latent varme frigives til atmosfæren.

Atmosfærens energibalance varierer. "I troperne, vi får faktisk en lokal forøgelse af nedbør (forårsaget af absorbering af aerosoler, som sort kulstof), " Prof. Stier forklarede, 'men på mellembreddegrader, hvor Jordens rotation udøver en stærkere effekt, og det er ikke så let at lede energien væk, vi får et meget stærkt fald i nedbør."

Kunstig intelligens bliver brugt af Prof Stier til at knuse og forstå masser af data, der indsamles om partiklers bevægelse og virkninger på skyer og nedbør.

I mellemtiden, Prof Weinzierls gruppe fortsætter med at analysere A-LIFE-dataene. Den østrigske gruppe udviklede nye metoder, inklusive en smart cloud-algoritme til ATom-flyvningerne. "Den ser på dataene og siger så, om du er inde i eller uden for en sky, " Prof. Weinzierl sagde, og 'om typen af ​​sky'.

Opdagelser har hobet sig op. Prof. Weinzierl bekræftede, at levetiden for sort kulstof i den høje atmosfære er kortere, end det var blevet antaget i klimaundersøgelser.

Også, hendes gruppe bidrog til opdagelsen af, at en naturlig svovlforbindelse er vigtig for at starte skydannelse i havatmosfæren. De hjalp også med at afsløre, at nydannede partikler højt i atmosfæren over troperne hjælper med at frø skyer, når de koagulerer og falder ned i atmosfæren.

At forstå, hvordan partikler påvirker skyer – og i sidste ende klimaet – har været en stor forhindring for videnskabsmænd. Men det er en forhindring, de overvinder ved bedre målinger af partikler og en bedre forståelse af deres interaktioner og indvirkning på skyer og klima.