Små partikler, som frøskyer kan danne af sporgasser over åbent hav

Nye resultater fra en atmosfærisk undersøgelse over det østlige Nordatlanten afslører, at små aerosolpartikler, der danner skyer, kan dannes ud af næsten intet over det åbne hav. Denne "nye partikeldannelse" opstår, når sollys reagerer med molekyler af sporgasser i det marine grænselag, atmosfæren inden for omkring den første kilometer over Jordens overflade. Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , vil forbedre, hvordan aerosoler og skyer er repræsenteret i modeller, der beskriver Jordens klima, så videnskabsmænd kan forstå, hvordan partiklerne – og de processer, der styrer dem – kan have påvirket planetens fortid og nutid, og lave bedre forudsigelser om fremtiden.

"Når vi siger 'ny partikeldannelse, ' vi taler om individuelle gasmolekyler, nogle gange kun få atomer i størrelse, reagerer med sollys, " sagde studie medforfatter Chongai Kuang, medlem af Department of Environmental and Climate Sciences ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory. "Det er interessant at tænke på, hvordan noget af den skala kan have en sådan indvirkning på vores klima - på hvor meget energi der bliver reflekteret eller fanget i vores atmosfære, " han sagde.

Men modellering af detaljerne om, hvordan aerosolpartikler dannes og vokser, og hvordan vandmolekyler kondenserer på dem og bliver til skydråber og skyer, mens der tages hensyn til, hvordan forskellige aerosolegenskaber (f.eks. deres størrelse, nummer, og rumlig fordeling) påvirker disse processer er ekstremt kompleks - især hvis du ikke ved, hvor alle aerosoler kommer fra. Så et team af forskere fra Brookhaven og samarbejdspartnere i atmosfærisk forskning rundt om i verden satte sig for at indsamle data i et relativt uberørt havmiljø. I den indstilling, de forventede, at koncentrationen af ​​sporgasser var lav, og at dannelsen af ​​skyer var særligt følsom over for aerosolegenskaber - et ideelt 'laboratorium' til at skille de komplekse vekselvirkninger ud.

"Dette var et eksperiment, der virkelig udnyttede bred og samarbejdende ekspertise i Brookhaven i aerosolobservationer og skyobservationer, " sagde Kuang. Tre af hovedforskerne - hovedforfatterne Guangjie Zheng og Yang Wang, og Jian Wang, hovedefterforsker af kampagnen Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA) – begyndte deres involvering i projektet, mens de arbejdede i Brookhaven og har været tætte samarbejdspartnere med laboratoriet, siden de flyttede til Washington University i St. Louis i 2018.

Land og hav

Undersøgelsen gjorde brug af en langsigtet jordbaseret prøveudtagningsstation på Graciosa Island på Azorerne (en øgruppe 850 miles vest for det kontinentale Portugal) og et Gulfstream-1-fly udstyret med 55 atmosfæriske instrumentsystemer til at tage målinger i forskellige højder over ø og ude på havet. Både jordstationen og flyet tilhører DOE Office of Science's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) brugerfacilitet, administreres og drives af et konsortium af ni DOE nationale laboratorier.

Holdet fløj med flyet på "marsvin-flyvninger, " op og ned gennem grænselaget for at få lodrette profiler af partiklerne og forstadiegasmolekyler til stede i forskellige højder. Og de koordinerede disse flyvninger med målinger taget fra jordstationen.

Forskerne havde ikke forventet, at der ville ske ny partikeldannelse i grænselaget i dette miljø, fordi de forventede, at koncentrationen af ​​de kritiske sporgasser for forstadiet ville være for lav.

"Men der var partikler, vi målte ved overfladen, som var større end nydannede partikler, og vi vidste bare ikke, hvor de kom fra, " sagde Kuang.

Flymålingerne gav dem deres svar.

"Dette fly havde meget specifikke flyvemønstre under målekampagnen, " sagde Kuang. "De så beviser for, at ny partikeldannelse skete i luften - ikke ved overfladen, men i det øvre grænselag." Beviset omfattede en kombination af forhøjede koncentrationer af små partikler, lave koncentrationer af allerede eksisterende aerosoloverfladeareal, og klare tegn på, at reaktive sporgasser såsom dimethylsulfid blev transporteret vertikalt - sammen med atmosfæriske forhold, der var gunstige for, at disse gasser kunne reagere med sollys.

"Derefter, når disse aerosolpartikler dannes, de tiltrækker yderligere gasmolekyler, som kondenserer og får partiklerne til at vokse til omkring 80-90 nanometer i diameter. Disse større partikler bliver derefter transporteret nedad - og det er det, vi måler ved overfladen, " sagde Kuang.

"Overflademålingerne plus flymålingerne giver os en rigtig god rumlig fornemmelse af de aerosolprocesser, der sker, " bemærkede han.

Ved en vis størrelse, partiklerne vokser sig store nok til at tiltrække vanddamp, som kondenserer og danner skydråber, og til sidst skyer.

Både de individuelle aerosolpartikler suspenderet i atmosfæren og de skyer, de i sidste ende danner, kan reflektere og/eller absorbere sollys og påvirke Jordens temperatur, Kuang forklarede.

Undersøgelses implikationer

Så nu, hvor forskerne ved, at nye aerosolpartikler dannes over det åbne hav, hvad kan de gøre med den information?

"Vi vil tage denne viden om, hvad der sker, og sørge for, at denne proces er fanget i simuleringer af Jordens klimasystem, " sagde Kuang.

Et andet vigtigt spørgsmål:"Hvis dette er et så rent miljø, hvor kommer så alle disse forløbergasser fra?" spurgte Kuang. „Der er nogle vigtige forløbergasser, der genereres af biologisk aktivitet i havet (f.eks. dimethylsulfid), der også kan føre til ny partikeldannelse. Det kan være en fin opfølgende undersøgelse til denne - at udforske disse kilder."

Forstå skæbnen for biogene gasser såsom dimethylsulfid, som er en meget vigtig svovlkilde i atmosfæren, er nøglen til at forbedre videnskabsmænds evne til at forudsige, hvordan ændringer i havets produktivitet vil påvirke aerosoldannelse og, i forlængelse heraf, klima.