De Aziatische tropopauze aerosollaag (ATAL) bevindt zich op twaalf tot 18 kilometer hoogte boven het Midden-Oosten en Azië. Deze opeenhoping van aerosolen in de Aziatische moesson werd voor het eerst ontdekt in 2011. De samenstelling en werking ervan, echter, waren tot nu toe onbekend. Een Europees consortium van wetenschappers heeft nu gevonden dat deze laag bestaat uit kristallijn ammoniumnitraat. In de AIDA-wolkenkamer, klimaatonderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) demonstreerden hoe deze stof wordt gevormd in de bovenste troposfeer. De resultaten worden gerapporteerd in Natuur Geowetenschappen .

Door een slimme combinatie van remote sensing, metingen ter plaatse, meteorologische modelberekeningen, specifieke laboratoriummetingen, en gedetailleerde numerieke simulaties, het team bestudeerde de distributie en samenstelling van aerosolen in de ATAL. Aerosolen zijn de kleinste zwevende deeltjes uit verschillende natuurlijke en antropogene bronnen. In de atmosfeer, aërosolen fungeren als condensatiekernen waaraan gasvormige waterdamp zich hecht en, dus, vormt wolkendruppels. Voor de eerste keer, een onderzoeksvliegtuig vloog door de bovenste niveaus van de Aziatische moesson om sleutelprocessen van mondiaal belang te bestuderen. De verschillende methoden en instrumenten vulden elkaar aan om de meetresultaten te verifiëren. Wetenschappers van het KIT, Forschungszentrum Jülich (FZJ), Johannes Gutenberg Universiteit en Max Planck Instituut voor Chemie, zowel in Mainz, Alfred Wegener Instituut, de universiteit van Wuppertal, Laboratoire de Métérologie Dynamique, Parijs, en het Istituto di Scienze dell"Atmosfera e del Clima, Rome, nam deel.

"Verrassend genoeg, vonden we kristallijn ammoniumnitraat als hoofdbestanddeel in grote delen van het ATAL, " zegt Dr. Michael Höpfner van de Atmospheric Trace Gases and Remote Sensing Division van KIT's Institute of Meteorology and Climate Research (IMK-ASF). De onverwachte resultaten gemeten, onder andere, door het GLORIA-instrument van KIT en Forschungszentrum Jülich werden vervolgens bevestigd door klimaatonderzoekers van KIT's AIDA-wolkkamer:"Onze experimenten onthulden dat, tegen de heersende opvatting in, vloeibare ammoniumnitraatdruppeltjes kristalliseren tot vaste deeltjes bij min 50 graden in aanwezigheid van kleine, voornamelijk zwavelhoudende verontreinigingen. Deze vaste deeltjes blijven bestaan, zelfs onder temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden van de bovenste troposfeer, " zegt Dr. Robert Wagner van de Atmospheric Aerosol Research Division van KIT's Institute of Meteorology and Climate Research. Met satellietobservaties, de onderzoekers vonden inderdaad grote hoeveelheden ammoniumnitraat-aerosolen boven Azië. Deze waarnemingen gaan terug tot in het jaar 1997, toen de ATAL nog niet had moeten bestaan.

"Hiermee, we hebben de al lang bestaande puzzel van de samenstelling van ATAL opgelost, " zegt Michael Höpfner. Tot nu toe, het zeer onwaarschijnlijk werd geacht dat deze aerosol op zulke grote hoogten bestaat, omdat het precursor ammoniakgas zeer snel door regen uit de atmosfeer wordt weggespoeld. "Maar we hebben tijdens de Aziatische moesson ongeëvenaarde ammoniakconcentraties gedetecteerd:de waarden zijn tot vijftig keer hoger dan bij eerdere metingen, Höpfner vult aan. Dit ammonium komt voornamelijk uit de landbouw, met name uit de veehouderij en bemesting. De hoogste ammoniakemissie vindt momenteel plaats in Azië. Tijdens de moesson, vervuilde luchtmassa's worden van het landoppervlak naar hoogtes tot 18 km getransporteerd. Hier, ammoniak reageert op ammoniumnitraat, een aerosol die zowel de vorming als de eigenschappen van wolken beïnvloedt.

"Het is nu voor het eerst dat onze gegevens bewijzen dat ammoniumnitraat-aerosolen alomtegenwoordig zijn in de bovenste troposfeer tijdens de Aziatische moesson, " zegt Höpfner. Deze resultaten zijn met name relevant voor de interacties van wolken en aerosolen, die een van de grootste onzekerheden in klimaatmodellering vertegenwoordigen. Bovendien, de bevindingen bewijzen dat ammoniak die op de grond wordt uitgestoten een grote invloed heeft op de processen in de bovenste troposfeer en mogelijk op het Aziatische klimaat.

Ammoniak opsporen:het GLORIA-meetinstrument en AIDA Cloud Chamber

De vliegtuigcampagne was onderdeel van het StratoClim-project waarin 37 wetenschappelijke organisaties uit elf Europese landen, de VS, Bangladesh, Indië, en Nepal werken samen onder leiding van het Alfred Wegener Instituut, Helmholtz Centrum voor Polair en Marien Onderzoek. Het hooggelegen vliegtuig M55-Geophysika vervoerde 25 speciaal ontwikkelde instrumenten naar een hoogte van meer dan 20 km, ongeveer twee keer de hoogte die gewoonlijk door vliegtuigen wordt bereikt. Een belangrijk instrument aan boord van Geophysika was de infraroodspectrometer GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) die de hoogteverdeling meet van een verscheidenheid aan sporengassen langs de vliegbaan. De metingen tijdens de vluchten waren voornamelijk gericht op ammoniak, omdat het grotendeels betrokken is bij de vorming van aerosoldeeltjes. GLORIA is momenteel het enige instrument dat ammoniak op deze hoogten kan meten.

Gebaseerd op de gegevens gemeten door het satellietinstrument MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) van KIT's IMK-ASF voor hoogteverdeling van meer dan 30 sporengassen tussen 2002 en 2012, de wetenschappers kregen voor het eerst tegelijkertijd de wereldwijde distributie van ammoniak en ammoniumnitraat. Voor hun studie, ze maakten ook gebruik van de AIDA-faciliteit (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) op KIT's Campus North. Het is de enige faciliteit wereldwijd, waar aerosol- en klimaatprocessen onder atmosferische omstandigheden kunnen worden bestudeerd. In de faciliteit, alle temperatuur- en drukomstandigheden in de lagere en middelste atmosfeer kunnen worden gesimuleerd.