Een team van onderzoekers van ETH Zürich heeft voor het eerst simulaties op de CSCS-supercomputer Piz Daint gebruikt om te onderzoeken hoe bepaalde verouderingsmechanismen van roetdeeltjes in de atmosfeer wolkenvorming beïnvloeden. De resultaten laten zien dat de invloed van ozon en zwavelzuur op roetveroudering de vorming van wolken verandert en, uiteindelijk, het klimaat.

Brandend hout, aardolieproducten of andere organische materialen brengen roetdeeltjes in de atmosfeer die voornamelijk uit koolstof bestaan. Dit roet wordt beschouwd als de tweede belangrijkste antropogene klimaatveroorzaker, na koolstofdioxide. In de atmosfeer of als afzetting op sneeuw- en ijsoppervlakken, roetdeeltjes absorberen de kortegolfstraling van de zon en dragen zo bij aan de opwarming van de aarde.

In de atmosfeer, roetdeeltjes hebben ook een indirect effect op het klimaat door de vorming te veranderen, ontwikkeling en eigenschappen van wolken. Een onderzoeksteam onder leiding van Ulrike Lohmann, professor aan het Instituut voor Atmosfeer en Klimaat aan de ETH Zürich, heeft nu voor het eerst onderzocht hoe twee specifieke soorten roetdeeltjes wolken beïnvloeden en, beurtelings, het klimaat:aan de ene kant, roet aerosolen die verouderen door ozon en, op de andere, die verouderen door zwavelzuur.

Roetchemie verandert wolkenvorming

"Tot nu, aangenomen werd dat deze twee vormen van roetveroudering weinig effect hadden op wolkenvorming en klimaat, " zegt David Neubauer, wetenschappelijk programmeur in de onderzoeksgroep van Lohmann. Echter, de resultaten van de simulaties die nu op de CSCS-supercomputer Piz Daint zijn uitgevoerd, geven een ander beeld.

Wanneer roetdeeltjes zich combineren met ozon of zwavelzuur, hun fysische en chemische eigenschappen veranderen, schrijf de onderzoekers in hun studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Geowetenschappen . Door ozon verouderde roetdeeltjes vormen condensatiekernen in lagere lagen van de atmosfeer, die wolken helpen vormen. In hogere lagen van de atmosfeer, echter, de door zwavelzuur verouderde roetdeeltjes werken als ijskernen en helpen bij de vorming van cirruswolken.

Het team simuleerde hoe de verschillend verouderende roetdeeltjes de wolkenvorming beïnvloeden, en daarmee het klimaat, van pre-industriële tijden naar de toekomst. In deze simulaties de ontwikkeling van de aerosoldeeltjes wordt in een interactieve berekening gekoppeld aan de fysica van wolkenvorming. Dit is complex en vergt meer rekentijd dan conventionele klimaatsimulaties.

De onderzoekers maakten duidelijk gedefinieerde aannames voor hun berekeningen door de verouderingstoestand van de roetdeeltjes te beschrijven, afhankelijk van temperatuur en ozonconcentratie. Beide factoren hebben een significante invloed op veroudering:Om roet snel te laten verouderen door ozon, de temperatuur en ozonconcentratie moeten hoog zijn. Voor het vermogen van roet om als ijskern te werken door veroudering van zwavelzuur, een lage temperatuur speelt de beslissende rol.

Veranderde wolkenvorming leidt tot opwarming

Simulaties van door ozon verouderd roet laten zien dat wanneer het koolstofdioxidegehalte van de atmosfeer verdubbelt in vergelijking met het pre-industriële tijdperk, er ontstaan ​​minder lage wolken. Door ozonveroudering van roet worden in eerste instantie aanzienlijk meer wolkendruppels gevormd. Echter, hun hoge concentratie leidt tot meer afkoeling van de wolken, waardoor er meer droge lucht van bovenaf wordt bijgemengd. "Deze wolken verdampen dan sneller, vooral in een warmer klimaat, " legt Lohmann uit. "In een warmer klimaat, de ingemengde lucht heeft ook een lagere relatieve vochtigheid". Door de snellere verdamping, er blijven minder laaghangende wolken over, en meer kortegolfstraling bereikt de aarde en verwarmt deze.

De roetdeeltjes verouderd door zwavelzuur, anderzijds, meer ijskristallen veroorzaken en cirruswolken optisch dikker maken, d.w.z. ze zijn minder doorlaatbaar voor straling. Ze strekken zich uit tot aan de tropopauze, die zich op een hoogte van 10 tot 18 kilometer bevindt, en ook langer blijven hangen in hogere regionen van de atmosfeer. Als resultaat, cirruswolken absorberen meer van de langgolvige thermische straling die door de aarde wordt uitgezonden en laten minder ervan ontsnappen in de ruimte. Het opwarmende effect van cirruswolken neemt toe en verergert de opwarming van de aarde:wanneer het koolstofdioxidegehalte van de atmosfeer verdubbelt in vergelijking met pre-industriële tijden, beide vormen van roetveroudering leiden samen tot een toename van de opwarming van de aarde met 0,4 tot 0,5 graden Celsius. Als resultaat, de watercyclus zal verder versnellen en de wereldwijde neerslag zal verder toenemen, schrijven de onderzoekers.

Toekomstige studies, waaronder spuitbussen van bosbranden, vliegtuig- of automotoren, en combineer veld- en laboratoriummetingen met simulaties, een nog duidelijker beeld kunnen geven van de effecten van roet-aerosolen. Ze kunnen ook helpen bij het ontwikkelen van strategieën om de uitstoot te verminderen. "Dit zou niet alleen het klimaat en de luchtkwaliteit ten goede komen, maar ook de gezondheid van mensen, " benadrukt Neubauer.