Vandrette vinde bliver store drivere af kuldioxid under kolde fronter

Træer, afgrøder og anden vegetation i det midtvestlige USA fungerer som store kulstofvaske om sommeren, optagelse af kuldioxid (CO ₂ ) og begrænsning af mængden af ​​drivhusgasser, der kommer ind i atmosfæren. Hvad der sker med kuldioxid, når en koldfront bevæger sig ind, er stort set forblevet et mysterium, men Penn State-ledet forskning tilbyder ny indsigt, der kan hjælpe med at forbedre globale kulstofmodeller.

"Fokus for denne forskning er at forstå og kvantificere, hvordan lavtrykssystemer transporterer kuldioxid i atmosfæren, "sagde Ken Davis, professor i atmosfærisk og klimavidenskab ved Penn State. "Dette er en del af en større indsats, projektet Atmospheric Carbon and Transport-America (ACT-America), at lære at fortolke målinger af kuldioxid i atmosfæren for korrekt at udlede kilder og dræn af kuldioxid på jordoverfladen. At gøre dette, vi har brug for at vide, hvordan kuldioxid blandes af atmosfæren, og der har ikke været meget tidligere fokus på, hvordan lavtrykssystemer slinker omkring denne drivhusgas. "

De fleste modeller, der beskæftiger sig med atmosfærisk kulstof, har en tendens til at fokusere på globale snarere end regionale tendenser, han tilføjede, og repræsenterer muligvis ikke korrekt ændringerne i atmosfærisk kuldioxid, der opstår under disse systemer.

For bedre at forstå fænomenet, forskerne studerede kuldioxidniveauer over Lincoln, Nebraska, Før, under og efter en koldfront, der passerede gennem området i august 2016. Koldfronter opstår, når en kold luftmasse skubber ind i en varmere luftmasse, og de kan få tordenvejr til at danne sig og temperaturer falde dramatisk. Forskergruppen tog målinger fra to fly. Flyet krydsede systemets frontale grænse - hvor de varme og kolde luftmasser mødes - flere gange. De fløj også i flere højder, mellem cirka 1, 000 og 26, 000 fod, og registrerede ændringer i kuldioxidniveauer i systemets varme og kolde sektorer.

Forskerne indtastede dataene i en computermodel, der kiggede på kuldioxidniveauer i tre forskellige opløsninger. Resolutionerne varierede fra at være ni til 1, 600 gange højere arealopløsning end hvad der bruges i globale modeller, giver forskerne et mere præcist kig på, hvad der sker med kuldioxid, når systemet passerer. De fokuserede også på tre kategorier af kuldioxidkilder og dræn - biogene flux, eller kuldioxid optaget og respekteret af planter, bakterier og dyr, herunder mennesker; fossile brændstofkilder som biler og fabrikker; og grænsefluxer, eller i dette tilfælde kilder og dræn af kuldioxid ud over det nordamerikanske kontinent. De rapporterede deres fund i maj -udgaven af JGR Atmosfærer .

"Vi fandt et stort kuldioxidbånd fanget omkring det frontale system, "sagde Arkayan Samaddar, en doktorand i Institut for Meteorologi og Atmosfærisk Videnskab i Penn State. Undersøgelsen er en del af Samaddars doktorafhandling. "Ved at analysere det i så høj en opløsning, vi ser, at det ikke kun er et ensartet kuldioxidbånd. Vi ser meget mere struktur og får flere oplysninger, end vi ville, hvis vi kiggede på det globalt. At se på kuldioxid i regional skala hjælper os med bedre at bestemme kilder og dræn. "

Forskerne fandt ud af, at i løbet af denne sommerfront, biologiske kilder og dræn stod for de største ændringer i atmosfærisk kuldioxid, hvilket ikke er overraskende, da planter, dyr og mennesker konstant optager og puster kuldioxid og biologiske aktivitetstoppe om sommeren, ifølge Davis.

"Med planter kan du ikke umiddelbart se forskel på fotosyntese, når de indtager kuldioxid, og åndedræt, når de frigiver det. Atmosfærisk kuldioxid reagerer på nettobørsen, "Sagde Davis.

Forskellen mellem kategorierne biogene og fossile brændstoffer, Davis tilføjede, er, at den tidligere kategori både fungerer som en kilde og en stor vask, der hjælper med at afbøde fossile brændstofemissioner, der henviser til, at kategorien fossilt brændstof er en kontinuerlig kilde til kuldioxid.

Forskerne bemærkede, at kilderne og drænene skabte et konsistent mønster af kuldioxid i atmosfæren. Om natten, kuldioxidniveauer nær jordoverfladen steg til mere end 410 dele pr. million, før de faldt til 380 dele pr. million i løbet af dagen på grund af fotosyntese fra planter. Gasens niveauer i det atmosfæriske grænselag, som er den laveste del af atmosfæren og kan strække sig til en højde på cirka 16, 400 fod, forblev relativt konsekvent, spænder fra 380 dele pr. million i den nedre del af grænselaget til omtrent 395 dele pr. million i de øvre lag. Niveauer af kuldioxid over det atmosfæriske grænselag, op til en højde på cirka 28, 000 fod, varierede fra 400 til 405 dele pr. million.

Forskerne fandt ud af, at da frontsystemet flyttede ind, vandrette vinde forstyrrede dette mønster og rørte atmosfæren, flytte kuldioxid ind i den øvre atmosfære.

"Når frontens varme sektor passerer, vi ser dette næsten konstante felt med højere kuldioxid, der strækker sig fra jordoverfladen helt op til 28, 000 fod, "Sagde Samaddar." Vi har aldrig set dette før. "

Forskerne tror, ​​at det høje kuldioxid i den varme sektor stammer fra økosystemer i Gulf Coast -regionen. Økosystemer der har muligvis responderet mere, end de fotosyntetiserede, da dataene blev indsamlet, mens afgrøder og skove i det amerikanske Midtvesten og Canada ser ud til at have været netto dræn af kuldioxid, sagde Davis.

Den varme sektor efterfølges straks af den kolde sektor, som er en kold luftmasse med lavere kuldioxidniveauer, der kommer fra Canada. Den kolde sektor sænker kuldioxidniveauer i det atmosfæriske grænselag helt til jordoverfladen, og derefter starter det normale mønster af kuldioxid igen, sagde Samaddar.

"Disse oplysninger er nyttige ikke kun for forskere, der forsøger at finde ud af kuldioxidkilder og dræn, men også for modellerere at se om bevægelsen af ​​kuldioxid i deres globale kulstofmodeller er korrekt, " han sagde.

Forskerne forsøger nu at måle, hvor meget kuldioxid der bliver skubbet ind i den øvre atmosfære af disse frontalsystemer.