Aerosoler fra forurening, ørkenstorme, og skovbrande kan forstærke tordenvejr

Observationer af Jordens atmosfære viser, at tordenvejr ofte er stærkere i nærværelse af høje koncentrationer af aerosoler - luftbårne partikler, der er for små til at se med det blotte øje.

For eksempel, lynglimt er hyppigere langs skibsruter, hvor fragtskibe udsender partikler i luften, sammenlignet med det omkringliggende hav. Og de mest intense tordenvejr i troperne brygger op over land, hvor aerosoler er forhøjet af både naturlige kilder og menneskelige aktiviteter.

Mens forskere har observeret en sammenhæng mellem aerosoler og tordenvejr i årtier, årsagen til denne forening er ikke velforstået.

Nu har MIT-forskere opdaget en ny mekanisme, hvorved aerosoler kan intensivere tordenvejr i tropiske områder. Ved at bruge idealiserede simuleringer af skydynamik, forskerne fandt ud af, at høje koncentrationer af aerosoler kan øge tordenvejraktiviteten ved at øge fugtigheden i luften omkring skyerne.

Denne nye mekanisme mellem aerosoler og skyer, som holdet har døbt "fugtighedsmedrivningsmekanismen", kunne indarbejdes i vejr- og klimamodeller for at hjælpe med at forudsige, hvordan en regions tordenvejrsaktivitet kan variere med skiftende aerosolniveauer.

"Det er muligt, ved at rense forurening, steder kan opleve færre storme, " siger Tim Cronin, assisterende professor i atmosfærisk videnskab ved MIT. "Samlet set, dette giver en måde, hvorpå mennesker kan have et fodaftryk på klimaet, som vi ikke rigtig har sat stor pris på tidligere."

Cronin og hans medforfatter Tristan Abbott, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber, har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Videnskab .

Skyer i en kasse

En aerosol er enhver samling af fine partikler, der er suspenderet i luft. Aerosoler dannes af menneskeskabte processer, såsom afbrænding af biomasse, og forbrænding i skibe, fabrikker, og biludstødningsrør, såvel som fra naturfænomener som vulkanudbrud, havsprøjt, og støvstorme. I atmosfæren, aerosoler kan fungere som frø til skydannelse. De suspenderede partikler tjener som luftbårne overflader, hvorpå omgivende vanddamp kan kondensere og danne individuelle dråber, der hænger sammen som en sky. Dråberne i skyen kan støde sammen og smelte sammen for at danne større dråber, der til sidst falder ud som regn.

Men når aerosoler er meget koncentrerede, de mange bittesmå partikler danner lige så små skydråber, som ikke let smelter sammen. Præcis hvordan disse aerosolfyldte skyer genererer tordenvejr er et åbent spørgsmål, selvom videnskabsmænd har foreslået flere muligheder, som Cronin og Abbott besluttede at teste i højopløsningssimuleringer af skyer.

For deres simuleringer, de brugte en idealiseret model, som simulerer dynamikken i skyer i et volumen, der repræsenterer Jordens atmosfære over en 128 kilometer bred firkant af tropisk hav. Kassen er opdelt i et gitter, og forskere kan observere, hvordan parametre som relativ luftfugtighed ændrer sig i individuelle gitterceller, når de justerer visse forhold i modellen.

I deres tilfælde holdet kørte simuleringer af skyer og repræsenterede virkningerne af øgede aerosolkoncentrationer ved at øge koncentrationen af ​​vanddråber i skyer. De undertrykte derefter de processer, der menes at drive to tidligere foreslåede mekanismer, for at se, om tordenvejr stadig tog til, når de skruede op for aerosolkoncentrationerne.

Da disse processer blev lukket, simuleringen genererede stadig mere intense tordenvejr med højere aerosolkoncentrationer.

"Det fortalte os, at disse to tidligere foreslåede ideer ikke var det, der producerede ændringer i konvektion i vores simuleringer, " siger Abbott.

Med andre ord, en anden mekanisme skal være på arbejde.

Kørende storme

Holdet gravede gennem litteraturen om skydynamik og fandt tidligere arbejde, der pegede på en sammenhæng mellem skyens temperatur og fugtigheden i den omgivende luft. Disse undersøgelser viste, at når skyer stiger, blander de sig med den klare luft omkring dem, fordamper noget af deres fugt og som et resultat afkøler skyerne selv.

Hvis den omgivende luft er tør, den kan opsuge mere af en skys fugt og sænke dens indre temperatur, sådan at skyen, fyldt med kold luft, er langsommere til at stige gennem atmosfæren. På den anden side, hvis den omgivende luft er relativt fugtig, skyen bliver varmere, når den fordamper og stiger hurtigere, generere en opstrømning, der kunne spinde op til et tordenvejr.

Cronin og Abbott spekulerede på, om denne mekanisme kunne være på spil i aerosolers effekt på tordenvejr. Hvis en sky indeholder mange aerosolpartikler, der undertrykker regn, den kan muligvis fordampe mere vand til omgivelserne. På tur, dette kan øge fugtigheden i den omgivende luft, giver et mere gunstigt miljø for dannelsen af ​​tordenvejr. Denne kæde af begivenheder, derfor, kunne forklare aerosolers forbindelse til tordenvejrsaktivitet.

De satte deres idé på prøve ved hjælp af den samme simulering af skydynamik, denne gang noterer temperaturen og den relative fugtighed i hver gittercelle i og omkring skyer, da de øgede aerosolkoncentrationen i simuleringen. Koncentrationerne de satte varierede fra lav-aerosolforhold svarende til fjerntliggende områder over havet, til højaerosolmiljøer, der ligner relativt forurenet luft nær byområder.

De fandt ud af, at lavtliggende skyer med høje aerosolkoncentrationer var mindre tilbøjelige til at regne ud. I stedet, disse skyer fordampede vand til deres omgivelser, skabe et fugtigt luftlag, der gjorde det lettere for luften at stige hurtigt gennem atmosfæren som stærk, stormbrygende optræk.

"Efter du har etableret dette fugtige lag relativt lavt i atmosfæren, du har en boble af varm og fugtig luft, der kan fungere som frø til et tordenvejr, " siger Abbott. "Den boble vil have lettere ved at stige op til højder på 10 til 15 kilometer, hvilket er den dybde, skyerne skal vokse til for at fungere som tordenvejr."

Denne "fugt-medrivende" mekanisme, hvor aerosolfyldte skyer blandes med og ændrer fugtigheden i den omgivende luft, synes at være mindst én forklaring på, hvordan aerosoler driver dannelsen af ​​tordenvejr, især i tropiske områder, hvor luften generelt er relativt fugtig.

"Vi har leveret en ny mekanisme, der skulle give dig en grund til at forudsige stærkere tordenvejr i dele af verden med masser af aerosoler, " siger Abbott.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.