Rook van de vele bosbranden die in het Westen branden, heeft de luchtkwaliteit gevaarlijk gemaakt voor miljoenen mensen in de Verenigde Staten. En het zijn de allerkleinste aerosoldeeltjes in die lucht die het bijzonder schadelijk maken voor de menselijke gezondheid. Maar decennia lang we weten niet hoe lang deze deeltjes daadwerkelijk in de lucht blijven.

Nieuw onderzoek door wetenschappers van de Colorado State University geeft ons een veel beter begrip van dit proces, die niet alleen kan helpen bij het voorspellen van de luchtkwaliteit, maar ook in mondiale klimaatmodellering.

Aërosoldeeltjes, of het nu gaat om rook van bosbranden of uitlaatgassen van auto's, spelen een grote rol in hoeveel warmte wordt geabsorbeerd of afgebogen door de atmosfeer. Echter, we hebben niet helemaal begrepen hoe snel deze kleine deeltjes uit de lucht werden getrokken, vooral in afwezigheid van vocht. Dit heeft aanzienlijke onzekerheid toegevoegd aan de toch al complexe klimaatmodellen.

Delphine boer, een universitair hoofddocent bij de afdeling Scheikunde van het CSU College of Natural Sciences, wist dat het tijd was dat we het beter konden doen.

Farmer en haar collega's hebben onlangs aangekondigd dat ze hebben kunnen detecteren, in echte omgevingen - van bossen tot graslanden - de snelheid waarmee deze belangrijke deeltjes de atmosfeer daadwerkelijk verlaten. Hun bevindingen verschenen voor het eerst online in de week van 5 oktober in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit werk benadrukt echt het belang en de kracht van veldmetingen, " Farmer zei. "We kunnen observaties uit veldstudies direct gebruiken om de onzekerheden in klimaatmodellen te verkleinen, en om ons begrip van klimaatrelevante processen te verbeteren."

Inspelen op onzekerheid

Aerosoldeeltjes vallen op twee manieren uit de lucht. De eerste en meest voorkomende staat bekend als "natte" afzetting, wanneer vocht ze uit de lucht plukt, hetzij door wolkenvorming, sneeuw, of regenval. Wetenschappers hebben deze kracht redelijk goed onder controle, die verantwoordelijk is voor ongeveer 80% van het aerosol-effect in de atmosfeer.

Maar de andere kracht "droge" afzetting, is veel mysterieuzer geweest, hoewel het wereldwijd een niet onbelangrijke rol speelt. Omdat aerosolen zo klein zijn (gemeten in nanometers en microns) vallen ze niet zomaar naar beneden door de zwaartekracht. Ze kunnen lang meedrijven in luchtstromen. Hoe lang, echter, is de vraag geweest.

"Als een deeltje in de atmosfeer terechtkomt, hoe lang het in de lucht hangt, hangt af van deze verwijderingsprocessen, " Farmer zei. Dit is cruciaal, ze legde uit, want "hoe langer een deeltje in de atmosfeer hangt, hoe meer kans het heeft om verder te reizen, of maak wolken, of gevolgen hebben voor de menselijke gezondheid. Dus het juiste verwijderingsproces is essentieel voor het voorspellen van deeltjesconcentraties - en hun effecten."

Vroege resultaten van theoretische berekeningen in de jaren 70 en 80, en ruwere metingen voltooid over gladde oppervlakken rond 2000, worden al decennialang in klimaatmodellen ingevoerd.

Hier is boer, die een onderzoekscarrière heeft gemaakt door atmosferische chemie te volgen met instrumenten met een hoge resolutie, zag een kans voor verbetering.

Verbeterde klimaatmodellen - en menselijke gezondheid

Farmer en haar collega's wisten dat, natuurlijk, het land - en zelfs het oceaanoppervlak - is niet helemaal glad. Ze wilden dus zien wat er in de echte wereld met deze deeltjes gebeurde.

Vooral, ze keken naar de krachten buiten de zwaartekracht die de reizen van deze aerosolen aandreven. "Voor de kleine klimaat- en gezondheidsrelevante deeltjes, turbulentie in de atmosfeer brengt deeltjes naar oppervlakken en zorgt ervoor dat die deeltjes vast komen te zitten, " zei Boer.

En daarom, deze kleine deeltjes hebben geen recht pad naar een oppervlak, vooral niet in een complexe oppervlakteomgeving zoals een bos. Farmer legde het uit als elk microscopisch aërosoldeeltje met zijn eigen handschoen, "Een beetje zoals de Amerikaanse Ninja Warrior, waar het deeltje verschillende obstakels moet vermijden om in de atmosfeer te blijven. En elke handschoen is bijzonder uitdagend voor deeltjes van verschillende groottes."

Om te zien hoe deze deeltjes van verschillende grootte het deden op deze hindernisbaan, de onderzoekers gebruikten een ultra-hoge gevoeligheid aerosol spectrometer, die een laser gebruikt om deeltjes te tellen. Ze zetten meetstations op in een dennenbos in het Manitou Experimental Forest in Colorado, en in graslanden in de zuidelijke Great Plains in Oklahoma, om real-world gegevens over deze deeltjes vast te leggen toen ze uiteindelijk landden.

"We hebben gemeten hoe snel verschillende deeltjes door deze handschoen lopen, "Verklaarde Farmer. "Vervolgens gebruikten we die metingen om erachter te komen welk deel van de handschoen verschillende deeltjes afremde."

Ze vonden een veel smaller bereik van levensduur voor deze belangrijke deeltjes dan was gesuggereerd door eerdere modellering. In feite, de oude voorspellingen rekenden op een snellere verwijdering van de zeer kleine deeltjes (die kleiner dan 100 micron) en een langzamere verwijdering van de grotere deeltjes (die groter dan 400 micron).

"Dit betekent dat we het indirecte effect van aërosol in modellen mogelijk hebben onderschat, " zei Farmer. "Het goede nieuws is dat we de onzekerheid hebben overschat - we weten nu de deeltjesverliessnelheden beter."

De nieuwe bevindingen kunnen worden toegepast op allerlei oneffen oppervlakken, van bossen tot graslanden tot landbouwgebieden en zelfs tot woelige zeeën.

Meer aerosoleffecten boven land

Bij het integreren van hun bevindingen in modellen van de aërosoleffecten wereldwijd, Farmer en haar co-auteurs voorspellen dat er meer aerosol-effect zal zijn dan eerder werd aangenomen over bepaalde landgebieden, inclusief delen van Noord-Amerika, Europa, Azië, Zuid-Amerika, Australië, en Afrika bezuiden de Sahara - en een verlaging van het aërosoleffect boven oceanen.

"Het blijkt dat de race van de deeltjes om zich op een oppervlak te vestigen behoorlijk belangrijk is voor het voorspellen van stralingseffecten" en hoe het toekomstige klimaat eruit zou kunnen zien, zei boer.

Hun nieuwe gegevens suggereren ook dat we de hoeveelheid aerosolen in de lucht die het schadelijkst zijn voor de menselijke gezondheid hebben onderschat. die kleiner zijn dan 2,5 nanometer (ook bekend als PM2,5), welke zijn, bijvoorbeeld, het meest gevaarlijke onderdeel van natuurbrandrook.

"Ons herziene [aantal] verhoogt de PM2.5-concentraties aan het oppervlak met 11% wereldwijd en met 6,5% boven land, " Farmer en haar medewerkers schreven in hun nieuwe paper. Wat belangrijk is om te weten omdat "blootstelling aan PM2.5 verband houdt met aandoeningen van de luchtwegen en hart- en vaatziekten."

Medeauteurs van de studie waren Jeffery Pierce, een universitair hoofddocent bij de afdeling Atmosferische Wetenschappen in de Walter Scott, Jr. College of Engineering, en Kelsey Bilsback, een postdoctoraal onderzoeker aldaar; evenals doctoraatsonderzoekers in de afdeling Chemie Ethan Emerson, Anna Hodshire, en Holly DeBolt; en Gavin McMeeking van het bedrijf Handix Scientific in Boulder.

Dit belangrijke werk laat ook zien hoe geavanceerd en impactvol veldmeettechnologieën worden.

"Naar mij, the most exciting aspect of this work is that we are able to take real-world measurements over a forest and a grassland site and use them to directly improve our understanding of the climate system, " Farmer said.