Hvordan skovbrandsrøg rejste rundt i verden

Det er ikke kun, hvor varmt ildene brænder – det er også, hvor de brænder, der betyder noget. Under den seneste ekstreme brandsæson i Australien, som begyndte i 2019 og brændte ind i 2020, millioner af tons røgpartikler blev frigivet til atmosfæren. De fleste af disse partikler fulgte et typisk mønster, sætte sig til jorden efter en dag eller uge; alligevel lykkedes det dem, der blev skabt i brande, der brændte i et hjørne af landet, at dække hele den sydlige halvkugle i månedsvis. Et par israelske forskere formåede at spore forvirrende stigninger i januar og februar 2020 i et mål af partikelfyldt dis til disse brande, og så, i et papir for nylig offentliggjort i Videnskab , de afslørede den "perfekte storm" af omstændigheder, der fejede partiklerne udsendt fra disse brande ind i den øvre atmosfære og spredte dem over hele den sydlige halvkugle.

Partikler, der når stratosfæren - det øverste lag af atmosfæren - kommer oftest dertil gennem vulkanudbrud. Den aske, der udsendes i de mere ekstreme udbrud, dæmper solen og afkøler planeten, samt producere spektakulære solnedgange. Prof. Ilan Koren fra Weizmann Institute of Science's Earth and Planetary Science Department, som udførte undersøgelsen sammen med sin tidligere elev, Dr. Eitan Hirsch, nu leder af afdelingen for miljøvidenskab ved Israel Institute for Biological Research i Ness Tziona, havde bemærket en ekstrem stigning i et satellitbaseret mål for partikelbelastning i atmosfæren kaldet AOD - eller aerosoloptisk dybde. I januar 2020, disse målinger, plottet i standardafvigelser, viste en afvigelse tre gange den normale - nogle af de højeste målinger nogensinde opnået, højere end dem fra Pinatubo-bjerget i 1991. Men tidspunktet faldt ikke sammen med nogen vulkansk aktivitet. De spekulerede på, om brande kunne være skylden, selvom det er sjældent, at røgen fra brande slipper ud af det nederste lag af atmosfæren kendt som troposfæren i betydelige mængder. Troposfæren strækker sig fra jorden til en højde på flere kilometer, og hvis røgpartikler formår at stige så højt, de rammer et inversionslag kaldet tropopausen, der fungerer som en slags loft mellem troposfæren og stratosfæren.

At arbejde baglæns og bruge data fra flere satellitter, inklusive, ud over AOD, LIDAR-aflæsninger, der afslørede, hvordan partiklerne blev fordelt lodret i "skiver" af atmosfæren, de to var i stand til at bevise, at kilden til spidserne var skovbrande - specielt dem, der brændte i det sydøstlige Australien. Yderligere analyse af satellitdata afslørede det brede bånd af dis i stratosfæren, der spredte sig til at dække den sydlige halvkugle, topper fra januar til marts og varer ved gennem juli; når hele vejen rundt og tilbage til Australiens vestkyst.

Hvordan trængte disse røgpartikler gennem tropopauseloftet, og hvorfor kom de fra disse brande og ikke de andre? Et fingerpeg, siger Hirsch, lå i en anden, fjern skovbrand, der var opstået for flere år siden i Canada. Derefter, også, høje AOD-niveauer var blevet registreret. Begge disse brande opstod på høje breddegrader, væk fra ækvator.

Troposfærens højde skrumper på disse breddegrader:Over troperne kan dens øvre loft nå op til 18 km over overfladen, mens et sted over den 45. breddegrad - nord og syd, det tager et pludseligt skridt ned til omkring 8-10 km i højden. Så det første element, der muliggjorde partiklernes flyvning på tværs af lag, var simpelthen at have mindre atmosfære at krydse.

Pyrocumulus-skyer - skyer drevet af ildens energi - blev betragtet som et middel til at transportere røg til stratosfæren. Imidlertid, ved inspektion af satellitdata, Hirsch og Koren bemærkede, at pyrocumulusskyer kun dannedes over en lille brøkdel af brandens varighed, og de blev mest set over brande, der brændte på den centrale del af kysten. Med andre ord, disse skyer kunne ikke forklare de store mængder, der fandtes at blive transporteret til stratosfæren, og der manglede en ekstra mekanisme til at løfte røg ned mod vinden fra kilderne.

Dette bringer det andet element frem:vejrmønstrene i striben kendt som cyklonbæltet på midten af ​​breddegraden, der løber gennem den sydlige ende af Australien, et af de mest stormfulde områder på planeten. Røgen blev først advektioneret (flyttet vandret) af de fremherskende vinde i den lavere atmosfære til Stillehavet, og så konvergerede noget af det ind i de dybe konvektive skyer der og blev løftet i skyernes kerne ind i stratosfæren. En interessant feedback-mekanisme kendt som "cloud invigoration by aerosos" kan yderligere uddybe skyerne. I en tidligere undersøgelse, forfatterne havde vist, at under forhold som det uberørte miljø over det sydlige ocean, de konvektive skyer er "aerosol begrænset." De forhøjede røgniveauer kunne således fungere som skykondensationskerner, at tillade skyerne at udvikle sig dybere og dermed øge antallet af skyer, der er i stand til at trænge ind i tropopausen og injicere røgen i stratosfæren.

Oppe i stratosfæren, partiklerne befandt sig i en anden verden end den, de lige havde forladt. Hvis de nedenfor var prisgivet at blande og kærne luftstrømme, oppe på toppen bevæger luften sig jævnt, lineær mode. Det er, der var én stærk strøm, og den flyttede dem østpå over havet til Sydamerika og tilbage over Det Indiske Ocean mod Australien, og langsomt sætter sig rundt på hele halvkuglen. "Folk i Chile indåndede partikler fra de australske brande, " siger Hirsch. Ved at sejle på en endeløs luftstrøm, disse partikler forblev luftbårne i meget længere tid end røgpartikler med lavere atmosfære.

"For folk på jorden, luften har måske bare virket en smule mere uklar eller solnedgangen en smule rødere. Men så høj en AOD - meget, meget højere end normalt - betyder, at sollys blev blokeret, ligesom det gør efter vulkanudbrud, " siger Koren. "Så den ultimative effekt af den røg på atmosfæren var afkøling, selvom vi stadig ikke ved, hvor stor indflydelse denne afkøling og dæmpning kan have haft på havmiljøet eller vejrmønstrene.

"Der er altid brande i Californien, i Australien og i troperne, " tilføjer han. "Vi er måske ikke i stand til at stoppe al afbrændingen, men vi har brug for en forståelse af, at de præcise placeringer af disse brande kan give dem meget forskellige effekter på vores atmosfære."