Voor de eerste keer, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) heeft atmosferische ijskiemvormende deeltjes (INP's) in ijskernen onderzocht, die inzicht kan geven in het type bewolking in het noordpoolgebied in de afgelopen 500 jaar. Deze INP's spelen een belangrijke rol bij de vorming van ijs in wolken, en hebben dus een grote invloed op het klimaat. Tot dusver, echter, er zijn slechts enkele metingen die slechts enkele decennia teruggaan. De nieuwe methode zou informatie kunnen opleveren over historische wolken uit klimaatarchieven en zo grote hiaten in kennis in klimaatonderzoek kunnen dichten.

Het team van TROPOS, de Universiteit van Kopenhagen, schrijft de Universiteit van Bern en het Paul Scherrer Instituut in het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven dat bevindingen over variaties in de concentraties van ijskiemvormende deeltjes in de atmosfeer door de eeuwen heen klimaatonderzoekers zouden helpen om toekomstige klimaatveranderingen beter te begrijpen.

Klimaatarchieven zijn belangrijk om het klimaat uit het verleden te reconstrueren en uitspraken te doen over de ontwikkeling van het klimaat in de toekomst. In Europa, het weer wordt pas ongeveer 300 jaar lang regelmatig waargenomen en geregistreerd. Voor de tijd ervoor en voor locaties zonder weerstation, echter, onderzoek is afhankelijk van conclusies uit natuurlijke archieven. Paleoklimaatonderzoek maakt gebruik van een grote verscheidenheid aan natuurlijke archieven, zoals boomringen, ijskernen of sedimenten.

In de afgelopen decennia, er is een aantal methoden ontwikkeld en verfijnd die gebruik maken van indirecte indicatoren (climate proxies) om conclusies te trekken over klimaatfactoren zoals temperatuur, neerslag, vulkaanuitbarstingen en zonneactiviteit. Wolken zijn verantwoordelijk voor neerslag, onder andere, maar ze zijn erg ongrijpbaar en daarom moeilijk te bestuderen. Maar het nummer, type en omvang van wolken en hun ijsgehalte hebben een grote invloed op het stralingsbudget van de atmosfeer, de temperatuur op de grond en neerslag, en informatie over parameters die van invloed zijn op wolken zijn daarom belangrijk voor klimaatreconstructie.

Een internationaal onderzoeksteam uit Duitsland presenteert nu een methode om onze kennis over wolken en hun rol in de klimaatgeschiedenis te verbeteren. Denemarken en Zwitserland. Volgens hen, het team heeft voor het eerst de concentraties van ijskiemvormende deeltjes (INP) uit ijskernen gereconstrueerd. Deze metingen kunnen in de toekomst worden gebruikt om bewolking te reconstrueren.

"IJsvorming in gemengde fasenwolken wordt voornamelijk veroorzaakt door heterogene ijsvorming, d.w.z. INP zijn nodig om het bevriezen van onderkoelde wolkendruppels te stimuleren. Het aantal en het type van deze deeltjes beïnvloeden dus de neerslag, levensduur en stralingseigenschappen van de wolken. In het laboratorium, we hebben kunnen aantonen dat twee soorten deeltjes hiervoor bijzonder geschikt zijn:mineraal stof uit de bodem en verschillende biologische deeltjes zoals bacteriën, schimmelsporen of stuifmeel, " legt Dr. Frank Stratmann uit, hoofd van de Clouds Working Group bij TROPOS.

IJskernen worden vaak gebruikt om verschillende klimaatparameters te reconstrueren, zoals temperatuur, neerslag of vulkaanuitbarstingen gedurende duizenden jaren. Voor de nu gepubliceerde studie, het team kon putten uit delen van twee ijskernen uit het noordpoolgebied:de kern Lomo09 werd in 2009 geboord op de Lomonosovfonna-gletsjer op Svalbard op een hoogte van 1200 meter. De ijskern EUROCORE werd in 1989 uitvoerig gewonnen uit de top van de Groenlandse ijskap op een hoogte van meer dan 3000 meter.

De ingevroren monsters van deze kernen werden naar Leipzig gestuurd, waar ze werden onderzocht op INP. Kleine monsters van het ijs werden gesmolten en het smeltwater werd verdeeld in vele kleine druppels van één en 50 microliter. Deze druppels werden in twee experimentele opstellingen geplaatst, elk met bijna 100 kleine troggen, en werden vervolgens gecontroleerd afgekoeld. Deze opstellingen werden eerder gebruikt in andere onderzoeken:de Leipzig Ice Nucleation Array (LINA) en de Ice Nucleation Droplet Array (INDA) zijn instrumenten waarmee de druppels op een gecontroleerde manier worden gekoeld. Door een glazen raam, onderzoekers kunnen zien bij welke temperatuur hoeveel druppels bevriezen. Het aantal bevroren druppels wordt vervolgens omgezet in de concentratie ijskiemvormende deeltjes. "In 2015 Amerikaanse onderzoekers hebben atmosferische INP-concentraties afgeleid van sneeuw en neerslagwater. Wat werkt voor neerslag, zou ook moeten werken voor ijsmonsters, was onze aanpak. En zo waren we de eersten die aantoonden dat historische ijskernenconcentraties ook uit de ijskernen kunnen worden gehaald, " zegt Markus Hartmann van TROPOS, die de onderzoeken heeft uitgevoerd in het kader van zijn proefschrift.

Dit opent nieuwe mogelijkheden voor paleoklimaatonderzoek. Sinds de jaren dertig, over de hele wereld zijn talloze ijskernen gewonnen uit gletsjers en is het klimaat van vroeger gereconstrueerd. De informatie over de cloudfase (d.w.z. of het ijs of vloeibaar water bevat) was niet beschikbaar. Het onderzoek van polaire en atmosferische onderzoekers is een eerste stap in die richting. Aangezien het team niet over een continue ijskern beschikte, het kon alleen de ijsvormende deeltjes reconstrueren uit individuele jaren van de periode 1735 tot 1989 op Groenland en 1480 tot 1949 op Spitsbergen. Algemeen, er was geen trend in de ijskiemvormende deeltjes gedurende het laatste half millennium. "Echter, het noordpoolgebied warmt pas sinds ongeveer 25 jaar dramatisch op. Het nu geanalyseerde ijs was gevormd voordat deze sterke opwarming begon. Zowel metingen van een continue ijskern als van nieuwer ijs zouden daarom wenselijk zijn, ", vult Markus Hartmann aan.

Dat de mensheid door emissies de opwarming van de aarde heeft veroorzaakt, staat onder onderzoekers buiten kijf. Echter, het is onduidelijk hoeveel de wolken in de atmosfeer hierdoor zijn veranderd. Onderzoekers hopen daarom ook belangrijke inzichten te krijgen uit onderzoek naar ijskiemvormende deeltjes in de lucht. In de herfst/winter 2016, een team van de Universiteit van Peking, TROPOS, de Universiteit van Göteborg en de Chinese Academie van Wetenschappen, de concentraties van ijskiemvormende deeltjes in de lucht van de Chinese hoofdstad Peking gemeten. Echter, ze konden geen verband aantonen met de hoge luchtvervuiling daar.

"We gaan er daarom van uit dat de ijskiemvormende deeltjes in Peking meer uit natuurlijke bronnen komen, zoals stofstormen of de biosfeer, die beide bekend staan ​​als bronnen van ijskiemvormende deeltjes, dan door antropogene verbrandingsprocessen, " zegt Dr. Heike Wex van TROPOS. Maar dit is een momentopname van één plaats en de indirecte invloed van de mens mag niet worden vergeten:veranderingen in landgebruik of droogte hebben een impact op stof in de atmosfeer en op de biosfeer, wat op zijn beurt kan leiden tot veranderingen in wolken." Om de effecten van de mensheid op de atmosfeer beter te begrijpen, wolkenonderzoekers meten zowel op de hotspots van luchtvervuiling, zoals de metropolen van opkomende landen, als in relatief schone regio's zoals de poolgebieden.

Tot dusver, er is relatief weinig bekend over de hoeveelheid, eigenschappen en bronnen van ijskiemvormende deeltjes in het noordpoolgebied, al zijn ze wel een belangrijke factor in de wolkenvorming en dus voor het klimaat daar. Lange tijdreeksen met maandelijkse of wekelijkse tijdresolutie zijn praktisch niet aanwezig, maar essentieel voor het onderzoeken van seizoenseffecten. In het journaal Atmosferische scheikunde en natuurkunde , een Open Access tijdschrift van de European Geosciences Union (EGU), een internationaal team, ook geleid door TROPOS, publiceerde onlangs een overzicht van de seizoensvariaties in ijskernenconcentraties in het noordpoolgebied. Monsters van vier onderzoeksstations in het noordpoolgebied uit 2012/2013 en 2015/2016 werden onderzocht in het Leipzig Cloud Laboratory van TROPOS:Alert in Canada, Ny-Ålesund op Spitsbergen (Noorwegen), Utqiagvik (Barrow) in Alaska (VS) en Villum (Station Nord) in Groenland (Denemarken).

"Dit geeft ons een overzicht van de variaties tussen de seizoenen:de meest voorkomende zijn ijskiemvormende deeltjes in de lucht van het einde van de lente tot het begin van de herfst, de minste worden gevonden in de winter en aan het begin van de lente. Dit beïnvloedt hoe het type bewolking in het noordpoolgebied gedurende het jaar verandert en daarmee de invloed van wolken op de opwarming van het noordpoolgebied, ", legt Heik Wex uit. Onderzoekers hopen dat de studies zullen leiden tot betere voorspellingen over klimaatverandering, aangezien klimaatmodellen momenteel niet in staat zijn om de opwarming van het noordpoolgebied adequaat weer te geven, die tot onzekerheden zullen leiden, variërend van een stijgende zeespiegel tot regionale klimaatveranderingen in Europa.

De complexe feedbackprocessen tussen biosfeer en klimaat zullen ook deel uitmaken van de MOSAiC-expeditie:in september 2019, de Duitse onderzoeksijsbreker Polarstern, onder leiding van het Alfred Wegener Instituut (AWI), zal een jaar lang door de Noordelijke IJszee drijven. Geleverd door extra ijsbrekers en vliegtuigen, in totaal nemen 600 mensen uit 17 landen deel aan de MOSAiC-expeditie. Samen met een internationale partner, de AWI is verantwoordelijk voor de vijf belangrijkste onderzoeksgebieden:fysica van zee-ijs en sneeuwbedekking, processen in de atmosfeer en in de oceaan, biogeochemische cycli en het Arctische ecosysteem. TROPOS zal een leidende rol spelen in twee centrale metingen:een remote-sensing container voor de hele ijsdrift zal continu de verticale aerosol- en wolkenverdeling onderzoeken met behulp van lidar, radar- en microgolfradiometers. Anderzijds, een vastgebonden ballon zal de Arctische grenslaag zo nauwkeurig mogelijk meten tijdens een vluchtsectie. Beide metingen laten min of meer de directe detectie van de verticale verdeling van de ijskiemvormende deeltjes toe. In aanvulling, TROPOS gaat opnieuw de oppervlakte microlaag van de zee en smeltvijvers onderzoeken, die waarschijnlijk een belangrijke bron van ijskiemvormende deeltjes in het noordpoolgebied is.

Sinds 2016, het Collaborative Research Center TR172 "Arctic Amplification" van de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) heeft de redenen onderzocht waarom het noordpoolgebied veel meer opwarmt dan de rest van de aarde. Naast de Universiteit van Leipzig, het onderzoeksnetwerk omvat ook de universiteiten van Bremen en Keulen, het Alfred Wegener Instituut, het Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) en het Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) in Leipzig. Tilo Arnhold