Deeltjes die rond onze atmosfeer wervelen dragen bij aan klimaatverandering, maar veel over hoe ze omgaan met zonlicht en het zaaien van wolken beïnvloeden, blijft een raadsel. Studies heffen het deksel op hoe deze kleine deeltjes zoiets groots als het klimaat beïnvloeden door ze te analyseren vanuit straalvliegtuigen, satellieten en grondmetingen.

De belangrijkste oorzaak van klimaatverandering is de stijgende hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer. Deze stijging is gaande sinds het begin van de industriële revolutie en we weten nu veel over hoe dit gas zich gedraagt, houdt warmte vast en verwarmt de aarde.

Een veel mysterieuzere invloed op het klimaat komt van deeltjes - of aerosolen - die in de lucht zijn gesuspendeerd. Vooral belangrijk is zwarte koolstof, het roet dat van brandende vegetatie en verkeersdampen afdrijft. Dit zwarte spul is de op één na grootste bijdrage aan klimaatverandering. Maar het is heel anders dan koolstofdioxide.

"Terwijl koolstofdioxide honderden jaren in de lucht blijft, zwarte koolstof leeft slechts enkele weken in de atmosfeer, " verklaarde professor Bernadett Weinzierl, atmosferische en aerosolwetenschapper aan de Universiteit van Wenen, Oostenrijk.

Kooldioxide is een gas dat zo goed mengt dat de concentraties in Napels vrijwel hetzelfde zijn als in Hawaï. Anderzijds, de hoeveelheid en het type aërosoldeeltjes in de atmosfeer variëren afhankelijk van waar je kijkt.

De effecten van deeltjestypes verschillen ook. Zwarte koolstof absorbeert warmte en zorgt ervoor dat de lucht opwarmt. Mineraal stof absorbeert licht, maar niet zo sterk. Sommige andere deeltjes reflecteren licht weg van de aarde. Wetenschappers moeten een boekhoudkundige oefening uitvoeren, optellen hoeveel sommige deeltjes de aarde opwarmen, aftrekken hoeveel anderen onze planeet koelen.

Het beeld compliceren, deeltjes zaaien de waterdruppels die uiteindelijk wolken vormen. De soorten deeltjes beïnvloeden de eigenschappen van die wolken.

verontreinigende stoffen

Prof. Weinzierl volgt door de mens gemaakte verontreinigende stoffen en natuurlijke deeltjes zoals stof uit woestijnen in de atmosfeer in een project genaamd A-LIFE.

Om te proeven wat er in onze lucht rondzweeft, projectwetenschappers vlogen met de tweemotorige Dassault Falcon 20 vanuit het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) in de oostelijke Middellandse Zee. Tijdens 22 vluchten, het vliegtuig nam lucht om de deeltjes te analyseren die in 2017 boven en rond Cyprus wervelden.

De oostelijke Middellandse Zee is een ideale locatie, omdat het roet bevat van de verbranding van biomassa, stof uit de Sahara-woestijn en uit de Arabische woestijn en sulfaten en zwarte koolstof van verkeers- en industriële dampen. Het vliegtuig vloog zo laag als 300 meter en zo hoog als 12 km. Het gebruikte ook lasers om deeltjes in de lucht te volgen.

Prof. Weinzierl merkte op dat wanneer er veel stof aanwezig was, zelfs lokale weersvoorspellingen waren meestal minder nauwkeurig. evenzo, dergelijke deeltjes kunnen voorspellingen over het klimaat vertroebelen.

De Oostenrijkse professor nam ook deel aan een experiment met een NASA-onderzoeksvliegtuig dat van de Noordpool naar het midden van de Stille Oceaan vloog, naar de buitenste rand van Antarctica en terug naar de Atlantische Oceaan. Deze missie stelde haar in staat om deeltjescocktails te vergelijken in ongerepte luchten, ver weg van menselijke invloed, met die in de sterk vervuilde lucht boven de oostelijke Middellandse Zee.

Prof. Weinzierl vond meer grote deeltjes, zoals mineraal stof, hoog in de atmosfeer dan was voorspeld. Zelfs in regio's op het noordelijk halfrond, heel ver weg van bronnen, Regelmatig werden 10 tot 20 micron deeltjes in de lucht aangetroffen, zegt prof. Weinzierl. Menselijk haar meet 100 micron breed, ter vergelijking, terwijl zwarte koolstof bestaat uit deeltjes met een diameter van minder dan één micron.

Anderzijds, er was minder zwarte koolstof aanwezig dan de professor verwachtte hoog in de atmosfeer. "We ontdekken dat modellen meer zwarte koolstof bevatten in de bovenste troposfeer dan we in de natuur vinden, "zei ze. "Er is dan minder opwarming, dan de modellen zouden voorspellen, van zwarte koolstof."

Een verklaring zou kunnen zijn dat er door regen meer zwarte koolstof uit de atmosfeer wordt weggespoeld dan de modellen voorspellen.

wolken

Aerosoldeeltjes zijn cruciaal voor wolkenvorming, en verschillende typen beïnvloeden hoe de wolken zich zullen gedragen.

"Elke afzonderlijke wolkdruppel vormt zich normaal gesproken op een aerosoldeeltje, omdat er onder atmosferische omstandigheden geen wolken kunnen ontstaan ​​uit zuiver water, zei Philip Stier, hoogleraar atmosferische fysica aan de Universiteit van Oxford, in het Verenigd Koninkrijk. Wolkendruppels kunnen ontstaan ​​rond moleculen die door planten worden uitgestoten, zwavelverbindingen die door vulkanen worden uitgestoten of roet uit uitlaatpijpen van voertuigen, en meer.

Maar de wetenschap van aërosolen en wolkenvorming is verbijsterend - en aërosolkenmerken zijn belangrijk. "Je moet weten hoe groot ze zijn, over hun samenstelling en hoe ze met elkaar vermengen, " zei prof. Stier. Bijvoorbeeld, drijvend zeezout neemt snel vocht op, terwijl pure zwarte koolstof de neiging heeft om water af te stoten.

Wolken zelf zullen dan verschillen afhankelijk van hoe ze zijn gezaaid. "Een wolk in een vervuild gebied zal over het algemeen uitgaan van meer aerosolen en zo meer druppels vormen, " zei prof. Stier. Aan het einde zal een wolk gevormd rond kleine door de mens gemaakte deeltjes meestal meer water bevatten, kleinere druppeltjes.

Wolken rond zout of woestijnstof bevatten over het algemeen minder druppeltjes, maar elke druppel - zoals de deeltjes die ze vormen - is groter. "Als de lucht erg schoon is, dan beginnen wolkendruppels vaak veel groter, en deze wolken kunnen heel gemakkelijk regenen, " voegde prof. Stier toe. "Maar de echte vraag is hoe aërosolen de neerslag op grotere schaal beïnvloeden."

Wolken met vervuilende aerosolen bevatten meer waterdruppels en lijken helderder. Dit reflecteert licht, de atmosfeer afkoelen. "Het kan ook zijn dat zulke wolken langer leven, " zei prof. Stier, 'maar deze effecten blijven onzeker."

Aërosoldeeltjes en wolken introduceren onzekerheden in klimaatvoorspellingen. Hun complexiteit en moeilijkheden op het gebied van berekeningen betekenen dat wetenschappers nog steeds moeite hebben om wolken op microscopische en op grote schaal te begrijpen. Maar er wordt vooruitgang geboekt.

Prof. Stier onderzocht hoe aerosolen convectieve wolken beïnvloeden als onderdeel van het ACCLAIM-project. Convectieve wolken ontstaan ​​wanneer warme lucht opstijgt en omvatten de pluizige cumuluswolken die je op een zomerdag zou kunnen zien. Ze zijn slecht vertegenwoordigd in klimaatmodellen, zegt prof. Stier, maar nieuwe stationaire satellieten helpen ze beter te volgen.

Warmte

Prof. Stier onderzoekt nu hoe aërosoldeeltjes in onze lucht regenval beïnvloeden in een project genaamd RECAP. Hij bestudeert de energiebalans van de atmosfeer op kleine schaal en over uitgestrekte wolkenvelden. Bijvoorbeeld, als het regent, latente warmte komt vrij in de atmosfeer.

De energiebalans van de atmosfeer varieert. "In de tropen we krijgen eigenlijk een lokale verhoging van de neerslag (veroorzaakt door het absorberen van aerosolen, zoals zwarte koolstof), "Prof. Stier legde uit, 'maar op de middelste breedtegraden, waar de rotatie van de aarde een sterker effect heeft en het niet zo gemakkelijk is om energie weg te leiden, krijgen we een zeer sterke daling van de neerslag."

Kunstmatige intelligentie wordt door Prof Stier gebruikt om massa's gegevens te kraken en te begrijpen die worden verzameld over de beweging en effecten van deeltjes op wolken en regenval.

In de tussentijd, De groep van prof. Weinzierl gaat door met het analyseren van de A-LIFE-gegevens. De Oostenrijkse groep ontwikkelde nieuwe methoden, inclusief een slim cloud-algoritme voor de Atom-vluchten. "Het kijkt naar de gegevens en zegt dan of je binnen of buiten een cloud bent, " Prof. Weinzierl zei:en 'over het type wolk'.

De ontdekkingen stapelen zich op. Prof. Weinzierl bevestigde dat de levensduur van zwarte koolstof in de hoge atmosfeer korter is dan werd aangenomen in klimaatstudies.

Ook, haar groep droeg bij aan de ontdekking dat een natuurlijke zwavelverbinding belangrijk is voor het ontstaan ​​van wolken in de mariene atmosfeer. Ze hielpen ook te onthullen dat nieuw gevormde deeltjes hoog in de atmosfeer boven de tropen wolken helpen zaaien terwijl ze stollen en neerdalen in de atmosfeer.

Begrijpen hoe deeltjes wolken - en uiteindelijk het klimaat - beïnvloeden, was een enorme hindernis voor wetenschappers. Maar het is een hindernis die ze overwinnen door betere metingen van deeltjes en een beter begrip van hun interacties en impact op wolken en klimaat.