Jon Thompson probeert te ontdekken hoe de samenstelling en morfologie van deeltjes hun vermogen om licht te absorberen of te reflecteren beïnvloedt, waardoor het klimaat wordt opgewarmd of afgekoeld.

De focus op de onderliggende oorzaken van klimaatverandering is vooral gericht op koolstofdioxide (CO2), die meer dan 100 jaar in de atmosfeer kunnen leven. Het verminderen van de hoeveelheid kooldioxide is het doel geweest van velen die zich inzetten om de klimaatverandering te verminderen.

Maar kooldioxide is niet de enige factor die heeft geleid tot een veranderend klimaat. deeltjes, beter bekend als atmosferische aerosolen, bestaan ​​in de atmosfeer in een aantal concentraties van enkele duizenden per kubieke centimeter lucht en kunnen de atmosfeer opwarmen of koelen. Spuitbussen die zonlicht sterk absorberen, zullen de atmosfeer opwarmen, terwijl degenen die zonlicht terug in de ruimte reflecteren, de aarde zullen afkoelen. De specifieke verhouding van gereflecteerd licht tot geabsorbeerd licht is cruciaal voor het bepalen van het netto-effect. Deze verhouding wordt beschreven door aerosol albedo.

Maar wat zijn de factoren die de exacte hoeveelheid licht bepalen die door aerosol wordt geabsorbeerd of gereflecteerd? Dit is de vraag die onderzoeker Jon Thompson van Texas Tech University probeert op te lossen sinds zijn dagen als promovendus.

"Destijds was bekend dat aërosolen waarschijnlijk een impact hadden op het klimaat, maar onderzoekers wilden betere kwantitatieve beperkingen op die effecten, " zei Thompson, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemie &Biochemie. "De overkoepelende wetenschappelijke vraag is:wat is de klimaatimpact van de atmosferische aerosolen? Verhoogt of verlaagt de aanwezigheid van aerosolen de reflectie van de planeet, en wat is het netto effect op de temperatuur?"

Om dat te doen, onderzoekers hebben niet alleen de verschillende soorten aerosolen onderzocht die in de atmosfeer voorkomen, maar ook hun combinatie met andere chemicaliën, vooral zwarte koolstof, en hoe dat de reflectiviteit beïnvloedt.

Wat is een aerosol?

Noem aerosol voor de gemiddelde persoon en ze hebben visioenen van haarlak of andere huishoudelijke emissies van een onder druk staande bus die in een mist wordt verspreid. Maar dat is niet het type aerosol dat Thompson en zijn collega-onderzoekers in de loop der jaren hebben onderzocht.

"Ik snap dat eigenlijk heel veel en het is een van de misvattingen, mensen denken vaak dat ik onderzoek doe naar deodorants of iets dergelijks, ' zei Thompson.

Een aerosol wordt gedefinieerd als een mengsel van fijne vaste deeltjes of vloeistofdruppels in lucht of een ander gas. Er zijn verschillende bronnen van aerosolen in de atmosfeer, maar ze vallen in wezen in twee categorieën - natuurlijk of door de mens gemaakt, ook wel antropogeen genoemd.

Een natuurlijke aerosolbron die het meest voorkomt in West-Texas is door de wind opgeblazen stof, die voorkomt in gebieden met veel wind en een lage luchtvochtigheid. Maar door de wind opgeblazen stof kan enkele duizenden kilometers van zijn bron reizen. Het is niet ongebruikelijk om woestijnzanddeeltjes te vinden die afkomstig zijn uit de Sahara-woestijn in Florida of zelfs Oost-Texas. Een andere natuurlijke aerosolbron is zeezoutaërosol, dat is de spray die wordt gecreëerd door het breken van golven in de oceaan. Een derde bron van natuurlijke aerosolen is het gevolg van vulkaanuitbarstingen waarbij zwaveldioxide (SO2) vrijkomt dat in de atmosfeer kan reageren om sulfaataerosol te creëren.

Sulfaataërosol is een secundaire aërosol, dat zijn aerosolen die worden gevormd door een chemische reactie in de atmosfeer in plaats van rechtstreeks te worden uitgestoten. Maar veel secundaire aerosolen hebben antropogene bronnen, zoals het verbranden van kolen of brandstoffen die zwavel bevatten, ammoniak geproduceerd in de landbouw, of onverbrande fossiele brandstoffen.

"Zodra de voorlopergassen beginnen te reageren, ze hebben de neiging om zuurstofatomen op te nemen in de reactieproducten, en dat maakt de resulterende materialen minder vluchtig, "Zei Thompson. "Als gevolg daarvan, de reactieproducten beginnen te condenseren op andere deeltjes, waardoor de massa van de secundaire aerosol toeneemt. Dat is het proces dat we in veel grote bevolkingscentra zien, zoals Los Angeles en Peking, China." "De afzetting van extra materiaal kan de optische eigenschappen van de deeltjes drastisch veranderen, dus het bestuderen van het proces en de daaruit voortvloeiende veranderingen is cruciaal om het klimaateffect van de aerosol te begrijpen."

Optische eigenschappen van aerosolen meten

Thompson begon de kwestie van aerosoloptiek te onderzoeken als onderdeel van een groep die de Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) -methode aanpaste aan het meten van aerosolen terwijl hij aan zijn proefschrift werkte. CRDS is een proces waarbij licht van een gepulseerde laser heen en weer kaatst tussen sterk reflecterende spiegels om een ​​lang pad te creëren - meestal enkele kilometers - om optisch verlies te meten.

Thompson en zijn collega's integreerden CDRS in Integrating Sphere Nepholometry (ISN), die oorspronkelijk werd ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Nevada-Reno. ISN gebruikt lasers en een bolvormige kamer om te meten hoeveel licht wordt verstrooid door aerosolen.

Door de twee technieken te combineren, Thompson en zijn collega's hebben vastgesteld dat ze tegelijkertijd kunnen meten hoeveel licht wordt verstrooid door aerosolen en hoeveel wordt geabsorbeerd met hetzelfde monster. en door dit in een natuurlijk voorkomende atmosfeer te doen, werd voorkomen dat de aerosoldeeltjes zich ophoopten op een filter, die de resultaten kunnen veranderen. Verdere instrumentontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt de massaconcentratie van zwarte koolstof of roet te meten in combinatie met de optische metingen.

Dit is wat bekend staat als het meten van het albedo van de aerosol.

"Als het albedo gelijk is aan één, de aerosoldeeltjes reflecteren perfect en absorberen helemaal geen licht, Thompson zei. "Als het albedo gelijk is aan nul, die nooit voorkomt, ze zijn perfect absorberend. Niettemin, we kunnen die verhouding meten, en dat is uiterst belangrijk om te bepalen of de aerosol in de atmosfeer zal leiden tot opwarming of afkoeling van het klimaat."

Zwarte koolstof

Een van de belangrijkste onbekende factoren die bepalen of aerosolen licht zullen absorberen of reflecteren, is hun interactie met zwarte koolstof, die wordt gevormd door de onvolledige verbranding van diesel- of benzinemotoren.

Het mengen van zwarte koolstof met een secundair materiaal zoals organische stoffen of sulfaten verhoogt in feite het absorptievermogen van de gemengde deeltjes, maar hoeveel hangt af van waar de zwarte koolstof zich bevindt, of het nu in het midden van het deeltje is of aan de zijkant.

Vochtigheid speelt ook een grote factor in de samenstelling van de deeltjes. Zwarte koolstof zelf is niet erg absorberend voor water, maar wanneer gemengd met sulfaat of nitraat, het zal hygroscopischer worden en water uit de atmosfeer opnemen, waardoor het deeltje kan groeien.

"We willen de organisatie van het deeltje bestuderen en weten hoe de materialen zich vermengen en waar de zwarte koolstof zich in het deeltje bevindt, "Zei Thompson. "Lost het op? Dompelt het onder in het midden van de druppel? Is het aan de oppervlakte? Hoe beïnvloedt dat de lichtabsorberende eigenschappen van het materiaal? Wij zijn van mening dat deze details nog niet allemaal zijn uitgewerkt, toch hebben ze ingrijpende gevolgen voor de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd."

Thompson heeft eerder optische metingen gedaan, zowel in een laboratorium hier in Lubbock – als in Houston, waar het klimaat veel vochtiger is langs de Gulf Coast. De resultaten van die experimenten toonden veelbelovend dat, met verder onderzoek, de geheimen van de organisatie van aerosoldeeltjes met zwarte koolstof kunnen worden ontgrendeld en hun lichtabsorberende eigenschappen kunnen worden bepaald.

Thompson en zijn collega's hopen verdere financiering te krijgen om dit onderzoek op grotere schaal voort te zetten.

"Al deze dingen moeten worden uitgewerkt om beter te begrijpen hoe zwarte koolstof het klimaatsysteem beïnvloedt, "Zei Thompson. "Dat zijn het soort dingen waaraan we zouden willen werken met de apparaten die we hebben ontwikkeld."