Stijgende 2, 225 meter de lucht in op een eiland in de Azoren-archipel, Pico Mountain Observatory is een ideale plek om aërosolen te bestuderen - deeltjes of vloeistoffen die in gassen zijn gesuspendeerd - die grote afstanden hebben afgelegd in de troposfeer.

De troposfeer is het deel van de atmosfeer vanaf de grond tot ongeveer 10 kilometer in de lucht. Bijna alle waterdamp en aerosol van de atmosfeer bevindt zich in de troposfeer, en dit is ook waar het weer voorkomt. Het Pico Observatorium stijgt uit boven de eerste wolkenlaag in de troposfeer, bekend als de atmosferische mariene grenslaag. Bij die grens daalt de temperatuur snel, en een relatief hoge luchtvochtigheid neemt af naarmate de koellucht het water dwingt te condenseren tot wolkendruppels.

Pico is vaak omringd door wolken, met zijn top die boven hen uitklimt. Met deze functie kunnen wetenschappers de aerosolen boven de grenslaag bestuderen, inclusief een set van drie monsters heeft een onderzoeksteam van de Michigan Technological University onlangs waargenomen dat de manier waarop atmosferische wetenschappers denken over aërosolveroudering uitdaagt.

In "Moleculaire en fysieke kenmerken van aerosol op een afgelegen locatie in de vrije troposfeer:implicaties voor atmosferische veroudering", dinsdag gepubliceerd, 2 oktober in het journaal Atmosferische scheikunde en natuurkunde , Chemici van Michigan Tech tonen aan dat sommige aërosoldeeltjes - die afkomstig zijn van verbranding door natuurbranden - gedurende langere perioden in de atmosfeer aanwezig zijn en minder oxidatie ondergaan dan eerder werd gedacht.

"Eerder, verwacht werd dat bruine koolstof binnen ongeveer 24 uur grotendeels uitgeput zou zijn, maar onze resultaten suggereerden de aanwezigheid van significante bruine koolstof ongeveer een week benedenwinds van de oorspronkelijke bron van bosbranden in het noorden van Quebec, " zegt Simeon Schum, een promovendus in de scheikunde aan Michigan Tech en de eerste auteur van het artikel.

"Als deze spuitbussen een langere levensduur hebben dan verwacht, dan kunnen ze meer bijdragen aan lichtabsorptie en opwarming dan verwacht, wat gevolgen kan hebben voor klimaatvoorspellingen."

Dit werk bouwt voort op een eerder artikel gepubliceerd in hetzelfde tijdschrift, "Moleculaire karakterisering van vrije troposferische aërosol verzameld bij het Pico Mountain Observatory:een case study met een over lange afstand getransporteerde biomassa brandende pluim" (DOI:https://digitalcommons.mtu.edu/chemistry-fp/17/).

Honing of knikkers? Consistentie van aerosol uitgelegd

Om te bepalen waar de moleculen in aerosolen vandaan komen, het team, onder leiding van de corresponderende auteur van het artikel en universitair hoofddocent scheikunde, Lynn Mazzoleni, gebruikte een Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance massaspectrometer, gevestigd in Woods Hole Oceanographic Institution, om de chemische soorten moleculen vanuit de monsters te analyseren.

Spuitbussen, afhankelijk van hun chemische en moleculaire samenstelling, kan zowel directe als indirecte effecten hebben op het klimaat. Dit komt omdat sommige aerosolen alleen licht verstrooien, terwijl andere ook licht absorberen, en anderen nemen waterdamp op, veranderende cloudeigenschappen. Aërosolen spelen een verkoelende rol in de atmosfeer, maar er zijn grote onzekerheden over de mate van forcering en klimaateffecten.

Begrijpen hoe specifieke aerosolen oxideren - afbreken - in de atmosfeer is een stukje van de puzzel om te begrijpen hoe het klimaat op aarde verandert. Spuitbussen nemen verschillende consistenties aan, viscositeiten genoemd, afhankelijk van hun samenstelling en hun omgeving. Sommige hebben een consistentie die lijkt op olijfolie of honing, en deze hebben de neiging sneller te oxideren dan meer gestolde aerosoldeeltjes, die kan worden als pek, of zelfs marmerachtig.

De drie monsters die door het Michigan Tech-team zijn geanalyseerd, worden PMO-1 genoemd, PMO-2 en PMO-3. PMO-1 en PMO-3 reisden naar Pico in de vrije troposfeer, terwijl PMO-2 naar Pico in de grenslaag reisde. Aerosolen komen minder vaak voor in de vrije troposfeer dan in de grenslaag, maar pyro-convectie van bosbranden kan de deeltjes hoger in de lucht optillen. Hoewel PMO-2 slechts twee tot drie dagen in de atmosfeer was, het had meer geoxideerd dan PMO-1 en PMO-3, die ongeveer zeven dagen in de atmosfeer waren geweest en naar schatting glazig van consistentie waren.

"We waren verbaasd over het substantiële verschil tussen PMO-2 in vergelijking met PMO-1 en PMO-3. Dus, we vroegen ons af waarom we aerosolen op het station zouden zien die niet erg geoxideerd waren nadat ze een week in de atmosfeer waren geweest, "zegt Mazzoleni. "Typisch, als je iets in de atmosfeer brengt, wat een oxiderende omgeving is, zeven tot tien dagen, het moet erg geoxideerd zijn, maar dat zagen we niet."

Koude en droge spuitbussen

Schum zei dat het onderzoeksteam veronderstelde dat de eerste en derde monsters langzamer waren geoxideerd vanwege het vrije troposferische transportpad van de aerosol nadat ze tot dat niveau waren geïnjecteerd door bosbranden in Quebec. Zo'n pad naar Pico betekende een lagere gemiddelde temperatuur en vochtigheid waardoor de deeltjes vaster werden, en daardoor minder vatbaar voor oxidatieve vernietigingsprocessen in de atmosfeer.

Dat een deeltje langzamer zou oxideren ondanks meer tijd in de atmosfeer vanwege zijn fysieke toestand, biedt nieuw inzicht voor een beter begrip van hoe deeltjes het klimaat beïnvloeden.

"Wildfires zijn zo'n enorme bron van aerosol in de atmosfeer met een combinatie van verkoelende en verwarmende eigenschappen, dat het begrijpen van het delicate evenwicht ingrijpende gevolgen kan hebben voor hoe nauwkeurig we toekomstige veranderingen kunnen voorspellen, " zegt Claudio Mazzoleni, hoogleraar natuurkunde, en een van de auteurs van het artikel.

Naarmate bosbranden in de droge gebieden van de wereld in omvang en frequentie toenemen, er zouden meer aerosoldeeltjes in de vrije troposfeer kunnen worden geïnjecteerd, waar ze langzamer oxideren, een andere belangrijke overweging bij te dragen aan de studie van atmosferische wetenschap en klimaatverandering.