Bepaalde deeltjes in de atmosfeer hebben het unieke vermogen om de eigenschappen van wolken te veranderen door ervoor te zorgen dat waterdruppels bij hogere temperaturen bevriezen dan ze op zichzelf zouden doen. Met dit vermogen, deze zogenaamde ijskiemvormende deeltjes kunnen de evolutie van wolken sterk beïnvloeden, neerslag, en klimaat. Eerder onderzoek heeft gewezen op het verbranden van biomassa, zoals bij bosbranden, als een belangrijke bron van atmosferische deeltjes, soms met inbegrip van deze zeldzame en ongrijpbare ijskiemvormende deeltjes, maar deze relatie tussen verbranding en het vrijkomen van ijskiemstoffen is niet begrepen.

Een nieuwe studie door Carnegie Mellon's Center for Atmospheric Particle Studies heeft tot doel deze vragen over ijskiemvormende deeltjes en hun relatie met biomassaverbranding te beantwoorden. Onder leiding van Ryan Sullivan, universitair hoofddocent scheikunde en werktuigbouwkunde, een team van onderzoekers deed uitgebreide experimenten met de uitstoot van authentieke biomassabrandstoffen. Ze ontdekten dat mineralen uit de verbranding van biomassa een niet-herkende en belangrijke bron zijn van ijskiemvormende deeltjes die een groot deel van de bevriezingsactiviteit die wordt waargenomen in de rook van bosbranden kunnen verklaren.

Het team, inclusief Ph.D. studenten Leif Jahn, Michael Polen, Lydia Jahl, en Thomas Brubaker, eerst overwogen voorlopig bewijs dat ze hadden verkregen waaruit bleek dat het ijskiemvormingsvermogen van deeltjes die worden uitgestoten door het verbranden van biomassa - met name aerosol - in de loop van de tijd sterker werd. Dit ging in tegen eerdere experimenten in het veld, die ontdekte dat chemische veroudering het vermogen tot ijskiemvorming van de meeste deeltjestypes aantast, of verandert het niet.

De onderzoekers veronderstelden dat dit versterkte vermogen voortkwam uit chemische veranderingen in de zwarte koolstofroetdeeltjes in de aerosol. Men denkt dat roetdeeltjes de ijskiemstoffen zijn die vrijkomen bij de verbranding van brandstof en de deeltjesoppervlakken worden meer geoxideerd naarmate ze ouder worden. Terwijl de roetdeeltjes in de atmosfeer oxideerden, misschien werden ze meer hydrofiel, het vergroten van hun ijskiemvormingsvermogen, omdat bij ijskiemvorming watermoleculen aan het oppervlak worden gevormd tot een ijskristalembryo.

"We hebben veel experimenten gedaan, en onze experimenten gaven aan dat onze oorspronkelijke hypothese niet klopte omdat de brandstoffen die het meeste roet produceerden, typisch de zwakste ijskiemvormende eigenschappen hadden, of geen die we konden meten, "zei Sullivan. "Dus het leek er niet op dat roet de verklaring was." Dit gaf hen een kritische aanwijzing dat iets anders dan grafiet roet verantwoordelijk was voor de ijskiemvorming die ze aan het meten waren.

Ik probeer nog steeds uit te leggen waarom de ijskiemvormende eigenschappen van de aerosol groeiden na veroudering, Sullivan werd nieuwsgierig naar de as die achterbleef in de pan waar ze de brandstoffen verbrandden tijdens hun experimenten. Via röntgendiffractie van de atomen waaruit de as bestaat, ze ontdekten dat de as met de sterkste ijskiemvormende eigenschappen ook het meest kristallijne materiaal bevatte. Toen ze de kleine submicron-aerosoldeeltjes onderzochten met behulp van elektronen- en röntgenmicroscopie, ze zagen ook mineralen in de monsters die de beste ijskiemstoffen waren. Dit was een belangrijke bevinding, aangezien bekend is dat de aanwezigheid van kristallijne mineralen het vermogen tot ijskiemvorming stimuleert, maar dit was niet onderzocht in zowel biomassa verbrandende aerosol als de as die achterblijft.

Na het verzamelen van authentieke biomassabrandstofmonsters van verschillende nationale natuurreservaten, ze voerden meer experimenten uit om te onderzoeken hoe veranderingen in de originele brandstof verband houden met verschillen in het bevriezingsvermogen van de rookemissies. Ze waren in staat om de productie van deze nieuwe mineralen uit de verbranding van biomassa te koppelen aan hogere niveaus van mineraalvormende elementen gemeten in sommige van de oorspronkelijke brandstoffen. Ze waren ook in staat om afdoende zwarte koolstofroetdeeltjes uit te sluiten als de bron van de ijskiemstoffen.

De atmosferische chemiegemeenschap had zich niet veel gericht op mineralen die geproduceerd werden in biomassa verbrandende aerosolen, omdat wordt aangenomen dat ze afkomstig zijn van reeds bestaande bodemdeeltjes of stof die op de boom of plant waren geland en vervolgens tijdens bosbranden opnieuw in de atmosfeer werden gesuspendeerd. Maar Sullivan en zijn team ontdekten dat deze mineralen eigenlijk worden geproduceerd door de verbranding zelf. Als de brandstof elementen zoals silicium bevat, ijzer, aluminium, en calcium, wanneer verbrand, er ontstaan ​​mineraalbevattende deeltjes. Hoge grasbrandstoffen hebben de neiging om meer ijskiemvormende deeltjes te produceren dan bomen, omdat ze van nature meer van de mineraalvormende elementen bevatten.

Sullivan ziet dit als een voorbeeld van de wetenschappelijke methode aan het werk. Hun oorspronkelijke hypothese dat roet het antwoord was, werd ondersteund door voorlopige gegevens en andere literatuurstudies, maar hun experimentele gegevens zeiden iets heel anders. Dus, ze ontwikkelden verschillende experimenten en analysemethoden om hun onderzoek voort te zetten. Dit is een vijfjarig project geweest en de primaire focus van Sullivan's National Science Foundation (NSF) Career Award.

"Onze bevindingen zijn een totaal ander perspectief voor de atmosferische chemiegemeenschap met betrekking tot de bron van mineralen in biomassa verbrandende rook, " zei hij. "Ze hebben geholpen om langdurige onzekerheden aan te pakken met betrekking tot de vragen waarom sommige biomassabrandstoffen ijskiemvormende deeltjes creëren wanneer ze verbranden en andere niet, wat zijn de bronnen van de deeltjes, en hoe zullen ze evolueren als ze door de atmosfeer bewegen."