Roet spuugt uit dieselmotoren, stijgt op uit hout- en mestgestookte kooktoestellen en schiet uit olieraffinaderijen. Volgens recent onderzoek is luchtvervuiling, inclusief roet, is gekoppeld aan hartaandoeningen, sommige vormen van kanker en, in de Verenigde Staten, maar liefst 150, 000 gevallen van diabetes per jaar.

Naast de impact op de gezondheid, roet, bekend als zwarte koolstof door atmosferische wetenschappers, is een krachtig middel voor de opwarming van de aarde. Het absorbeert zonlicht en houdt warmte vast in de atmosfeer in grootte die op de tweede plaats komt na de beruchte koolstofdioxide. Recente commentaren in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences noemde de afwezigheid van consensus over de grootte van de lichtabsorptie van roet "een van de grote uitdagingen in de atmosferische klimaatwetenschap."

Rajan Chakrabarty, assistent-professor aan de School of Engineering &Applied Science aan de Washington University in St. Louis, en William R. Heinson, een postdoctoraal onderzoeker van de National Science Foundation in het laboratorium van Chakrabarty, ging die uitdaging aan en ontdekte iets nieuws over roet, of liever, een nieuwe wet die het vermogen om licht te absorberen beschrijft:de wet van lichtabsorptie. ermee, wetenschappers zullen de rol van roet bij klimaatverandering beter kunnen begrijpen.

Het onderzoek is geselecteerd als een "Editors' Suggestion", online gepubliceerd op 19 november in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Vanwege het vermogen om zonlicht te absorberen en de omringende lucht direct te verwarmen, klimaatwetenschappers nemen roet op in hun modellen - rekensystemen die proberen de omstandigheden van de echte wereld te repliceren - en voorspellen vervolgens toekomstige opwarmingstrends. Wetenschappers gebruiken waarnemingen uit de echte wereld om hun modellen te programmeren.

Maar er is geen consensus over hoe de lichtabsorptie van roet in deze modellen kan worden verwerkt. Ze behandelen het te simplistisch, een bol gebruiken om een ​​zuivere, zwarte koolstof spuitbus.

"Maar de natuur is grappig, het heeft zijn eigen manieren om complexiteit toe te voegen, ' zei Chakrabarty. 'Per massa, 80 procent van alle zwarte koolstof die je vindt, is altijd gemengd. Het is niet volmaakt, zoals de modellen ermee omgaan."

De deeltjes worden gemengd, of gecoat, met organische aërosolen die samen met roet uit een verbrandingssysteem worden uitgestoten. Het blijkt, zwarte koolstof absorbeert meer licht wanneer het is gecoat met deze organische materialen, maar de grootte van de absorptieverbetering varieert niet-lineair, afhankelijk van hoeveel coating er aanwezig is.

Chakrabarty en Heinson wilden een universele relatie vinden tussen de hoeveelheid coating en het vermogen van roet om licht te absorberen.

Eerst, ze creëerden gesimuleerde deeltjes die er net zo uitzagen als die in de natuur, met verschillende gradaties van organische coating. Vervolgens, met behulp van technieken die zijn ontleend aan het werk van Chakrabarty met fractals, het team doorliep veeleisende berekeningen, lichtabsorptie in deeltjes beetje bij beetje meten.

Toen ze de absorptiewaarden uitzetten tegen het percentage organische coating, het resultaat was wat wiskundigen en wetenschappers een 'universele machtswet' noemen. Dit betekent dat, naarmate de hoeveelheid coating toeneemt, de lichtabsorptie van roet stijgt naar verhouding relatief.

(De lengte en oppervlakte van een vierkant zijn gerelateerd aan een universele machtswet:als je de lengte van de zijden van een vierkant verdubbelt, het gebied neemt met vier toe. Het maakt niet uit wat de aanvankelijke lengte van de zijde was, de relatie zal altijd standhouden.)

Vervolgens gingen ze aan de slag met het werk van verschillende onderzoeksgroepen die de absorptie van omgevingsroetlicht over de hele wereld hebben gemeten, van Houston tot Londen tot Peking. Chakrabarty en Heinson hebben de absorptieverbeteringen opnieuw uitgezet tegen het percentage coating.

Het resultaat was een universele machtswet met dezelfde een-derde-verhouding als in hun gesimuleerde experimenten.

Met zoveel verschillende waarden voor verbetering van de lichtabsorptie in roet, Chakrabarty zei dat de klimaatmodelleurs in de war zijn. "Wat doen we in hemelsnaam? Hoe verantwoorden we de realiteit in onze modellen?

"Nu heb je orde in chaos en een wet, ' zei hij. 'En nu kun je het op een rekenkundig goedkope manier toepassen.'

Hun bevindingen wijzen er ook op dat opwarming als gevolg van zwarte koolstof door klimaatmodellen kan zijn onderschat. Als we uitgaan van een bolvorm voor deze deeltjes en niet goed rekening houden met de verbetering van de lichtabsorptie, kan dit leiden tot aanzienlijk lagere schattingen van de verwarming.

Rahul Zaveri, senior wetenschapper en ontwikkelaar van het uitgebreide aerosolmodel MOSAIC bij Pacific Northwest National Laboratory, noemt de bevindingen een significante en tijdige vooruitgang.

"Ik ben vooral enthousiast over de wiskundige elegantie en extreme rekenefficiëntie van de nieuwe parametrering, " hij zei, "wat vrij gemakkelijk kan worden geïmplementeerd in klimaatmodellen zodra de bijbehorende parametrisering voor lichtverstrooiing door gecoate zwarte koolstofdeeltjes is ontwikkeld."