Zwarte koolstofdeeltjes - beter bekend als roet - absorberen warmte in de atmosfeer. Voor jaren, wetenschappers weten dat deze deeltjes het opwarmende klimaat van de aarde beïnvloeden, maar het meten van hun exacte effect is ongrijpbaar gebleken.

Onderzoekers van de Michigan Technological University en Brookhaven National Laboratory, samen met partners aan andere universiteiten, industrie, en nationale laboratoria, hebben vastgesteld dat hoewel de vorm van deeltjes die zwarte koolstof bevatten enig effect heeft op de opwarming van de atmosfeer, het is belangrijk om rekening te houden met de structurele verschillen in roetdeeltjes, evenals hoe de deeltjes interageren met andere organische en anorganische materialen die zwarte koolstof omhullen terwijl deze door de atmosfeer reist.

Vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , het artikel biedt een raamwerk dat modelsimulaties verzoent met laboratorium- en empirische waarnemingen, en dat kan worden gebruikt om schattingen van de impact van zwarte koolstof op het klimaat te verbeteren.

Elk zwart koolstofdeeltje is uniek

De absorptie van zonnestraling door zwarte koolstof is vergelijkbaar met die van koolstofdioxide. Toch blijft zwarte koolstof slechts dagen tot weken in de atmosfeer, terwijl koolstofdioxide honderden jaren in de atmosfeer kan blijven.

Wetenschappers hebben jarenlang zwarte koolstofdeeltjes benaderd als bolvormig in modellen die vaak werden bedekt door andere organische materialen. De gedachte was dat als de roetdeeltjes door de atmosfeer reizen, de coating had een zogenaamd "lenseffect"; de vacht richt het licht op de zwarte koolstof, waardoor een verhoogde stralingsabsorptie ontstaat. En hoewel roetdeeltjes inderdaad bedekt zijn met organische materialen, die coating is niet uniform van deeltje tot deeltje.

"Als je een foto onder de microscoop maakt, de deeltjes zien er nooit perfect uit als een bol met dezelfde coating, " zei Claudio Mazzoleni, hoogleraar natuurkunde aan Michigan Tech en een van de co-auteurs van het artikel. "Als je een numerieke berekening maakt over perfecte bollen bedekt met een schaal, een model zal een verbeterde absorptie van de zwarte koolstofdeeltjes laten zien met een factor drie."

Empirische studies van zwarte koolstofdeeltjes tonen aan dat de absorptie veel minder is dan modellen zouden suggereren, de effectiviteit van het model in twijfel trekken, evenals ons begrip van het klimaatforcerende effect van zwarte koolstof.

Onderzoek suggereert dat de coating van organisch materiaal niet volledig bolvormig is; afhankelijk van hoe de organische materialen zich hechten aan een zwart koolstofdeeltje, de resulterende vorm kan ervoor zorgen dat het deeltje heel anders werkt, zelfs als het dezelfde hoeveelheid materiaal heeft als een ander roetdeeltje dat een andere vorm heeft. Maar nog belangrijker is dat de hoeveelheid coating per deeltje verschillend kan veranderen. Deze twee kenmerken verminderen beide de verwachte verbetering van de absorptie.

Laura Fier, een associate atmosferische wetenschapper bij Brookhaven National Laboratory, het deeltjes-opgeloste model toegepast om rekening te houden met de heterogeniteit van de deeltjes tijdens het modelleren van zwarte koolstof.

"Terwijl de meeste aerosolmodellen de weergave van de deeltjessamenstelling vereenvoudigen, het deeltjes-opgeloste model volgt de samenstelling van individuele deeltjes terwijl ze in de atmosfeer evolueren, Fierce zei. "Dit model is bij uitstek geschikt om fouten te evalueren die het gevolg zijn van algemene benaderingen die worden toegepast in aerosolmodellen op wereldschaal."

Minder effect op klimaatopwarming dan we dachten

Eigenlijk, de onderzoekers hebben in klimaatmodellering de diversiteit van organische en anorganische coating op deeltjes en de niet-uniforme aard van de deeltjes zelf geïntroduceerd. Door een empirisch model te combineren met laboratoriummetingen, het model voorspelde een veel lagere verbetering van de absorptie door zwarte koolstof dan eerder werd gedacht. De bijgewerkte modellering brengt ook de output van het model veel dichter bij wat in het veld werd gemeten.

"Mensen denken dat zwarte koolstof een zeer sterk opwarmend effect heeft op de atmosfeer, die afhankelijk is van absorptie, " zei Mazzoleni. "Als je een grotere absorptie hebt, het draagt ​​bij aan de opwarming en heeft een grotere impact op het klimaat. Om te begrijpen hoeveel zwarte koolstof bijdraagt ​​aan de opwarming van het klimaat, we moeten deze details begrijpen, omdat ze een verschil kunnen maken."

Dit onderzoek biedt een weg voorwaarts voor het verbeteren van de voorspellingen van het stralingseffect van zwarte koolstof op het klimaat. Het verminderen van de uitstoot van zwarte koolstof in de atmosfeer kan sommige effecten van klimaatverandering helpen verminderen. De resultaten van deze studie suggereren dat de absorptie van een deeltje per massa lager is dan eerder werd gedacht, maar hoeveel zwarte koolstof de atmosferische opwarming afdwingt, hangt ook af van de emissieniveaus, interacties met wolken en de afstand die een deeltje aflegt. En hoewel het verminderen van de roetuitstoot aanzienlijk is, het verminderen van kooldioxide in de atmosfeer is nog steeds van het grootste belang.