Waarnemingen van de atmosfeer van de aarde laten zien dat onweersbuien vaak sterker zijn in de aanwezigheid van hoge concentraties aerosolen - deeltjes in de lucht die te klein zijn om met het blote oog te zien.

Bijvoorbeeld, bliksemflitsen komen vaker voor langs scheepvaartroutes, waar vrachtschepen fijnstof uitstoten in de lucht, vergeleken met de omringende oceaan. En de meest intense onweersbuien in de tropen brouwen over land, waar aërosolen worden verhoogd door zowel natuurlijke bronnen als menselijke activiteiten.

Hoewel wetenschappers al tientallen jaren een verband zien tussen aerosolen en onweersbuien, de reden voor deze associatie is niet goed begrepen.

Nu hebben MIT-wetenschappers een nieuw mechanisme ontdekt waarmee aerosolen onweersbuien in tropische gebieden kunnen versterken. Met behulp van geïdealiseerde simulaties van clouddynamiek, de onderzoekers ontdekten dat hoge concentraties aërosolen de onweersactiviteit kunnen verbeteren door de luchtvochtigheid in de lucht rondom wolken te verhogen.

Dit nieuwe mechanisme tussen aerosolen en wolken, dat het team het "vochtmeevoer"-mechanisme heeft genoemd, zou kunnen worden opgenomen in weer- en klimaatmodellen om te helpen voorspellen hoe de onweersbuien in een regio kunnen variëren met veranderende aerosolniveaus.

"Het is mogelijk dat, door vervuiling op te ruimen, plaatsen kunnen minder stormen ervaren, " zegt Tim Cronin, assistent-professor atmosferische wetenschap aan het MIT. "Algemeen, dit biedt een manier waarop mensen een voetafdruk op het klimaat kunnen hebben die we in het verleden niet echt hebben gewaardeerd."

Cronin en zijn co-auteur Tristan Abbott, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, hebben hun resultaten vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap .

Wolken in een doos

Een aerosol is een verzameling fijne deeltjes die in de lucht is gesuspendeerd. Aerosolen worden gegenereerd door antropogene processen, zoals het verbranden van biomassa, en verbranding in schepen, fabrieken, en auto-uitlaatpijpen, en van natuurlijke fenomenen zoals vulkaanuitbarstingen, zeespray, en stofstormen. In de atmosfeer, aërosolen kunnen fungeren als zaden voor wolkenvorming. De zwevende deeltjes dienen als in de lucht zwevende oppervlakken waarop omringende waterdamp kan condenseren om individuele druppeltjes te vormen die als een wolk aan elkaar hangen. De druppeltjes in de wolk kunnen botsen en samensmelten tot grotere druppeltjes die er uiteindelijk uitvallen als regen.

Maar wanneer aerosolen sterk geconcentreerd zijn, de vele kleine deeltjes vormen even kleine wolkendruppeltjes die niet gemakkelijk samensmelten. Hoe deze met aerosolen beladen wolken precies onweersbuien genereren, is een open vraag, hoewel wetenschappers verschillende mogelijkheden hebben voorgesteld, die Cronin en Abbott besloten te testen in simulaties van wolken met hoge resolutie.

Voor hun simulaties ze gebruikten een geïdealiseerd model, die de dynamiek van wolken simuleert in een volume dat de atmosfeer van de aarde vertegenwoordigt over een 128 kilometer breed vierkant van tropische oceaan. De doos is verdeeld in een raster, en wetenschappers kunnen observeren hoe parameters zoals relatieve vochtigheid veranderen in individuele rastercellen terwijl ze bepaalde voorwaarden in het model afstemmen.

In hun geval, het team voerde simulaties uit van wolken en vertegenwoordigde de effecten van verhoogde aerosolconcentraties door de concentratie van waterdruppels in wolken te verhogen. Vervolgens onderdrukten ze de processen waarvan gedacht werd dat ze twee eerder voorgestelde mechanismen aanstuurden, om te zien of onweersbuien nog toenamen toen ze de aërosolconcentraties verhoogden.

Toen deze processen werden uitgeschakeld, de simulatie genereerde nog steeds intensere onweersbuien met hogere aerosolconcentraties.

"Dat vertelde ons dat deze twee eerder voorgestelde ideeën niet waren wat veranderingen in convectie in onze simulaties veroorzaakte, ' zegt Abbott.

Met andere woorden, er moet een ander mechanisme aan het werk zijn.

Storm rijden

Het team groef door de literatuur over wolkendynamiek en vond eerder werk dat wees op een verband tussen wolkentemperatuur en de vochtigheid van de omringende lucht. Deze studies toonden aan dat wanneer wolken opkomen, ze zich vermengen met de heldere lucht om hen heen, door een deel van hun vocht te verdampen en daardoor de wolken zelf af te koelen.

Als de omringende lucht droog is, het kan meer vocht van een wolk opnemen en de interne temperatuur verlagen, zodat de wolk, beladen met koude lucht, stijgt langzamer door de atmosfeer. Anderzijds, als de omringende lucht relatief vochtig is, de wolk zal warmer zijn naarmate hij verdampt en zal sneller stijgen, het genereren van een opwaartse luchtstroom die kan uitmonden in een onweersbui.

Cronin en Abbott vroegen zich af of dit mechanisme een rol zou kunnen spelen bij het effect van aerosolen op onweersbuien. Als een wolk veel aerosoldeeltjes bevat die regen onderdrukken, het kan mogelijk meer water naar de omgeving verdampen. Beurtelings, dit kan de vochtigheid van de omringende lucht verhogen, waardoor een gunstiger klimaat ontstaat voor de vorming van onweersbuien. Deze keten van gebeurtenissen, daarom, zou het verband tussen aerosolen en onweersbuien kunnen verklaren.

Ze testten hun idee met dezelfde simulatie van clouddynamiek, deze keer noteerden we de temperatuur en relatieve vochtigheid van elke rastercel in en rond wolken terwijl ze de aerosolconcentratie in de simulatie verhoogden. De concentraties die ze instelden varieerden van omstandigheden met weinig aerosol, vergelijkbaar met afgelegen gebieden boven de oceaan, naar omgevingen met veel aerosolen, vergelijkbaar met relatief vervuilde lucht in de buurt van stedelijke gebieden.

Ze ontdekten dat laaggelegen wolken met hoge aerosolconcentraties minder snel zouden regenen. In plaats daarvan, deze wolken verdampten water naar hun omgeving, het creëren van een vochtige luchtlaag die het gemakkelijker maakte voor lucht om snel door de atmosfeer te stijgen, zo sterk, stormachtige opwaartse stromingen.

"Nadat je deze vochtige laag relatief laag in de atmosfeer hebt je hebt een bel van warme en vochtige lucht die kan dienen als een zaadje voor een onweersbui, Abbott zegt. "Die bubbel zal het gemakkelijker hebben om op te stijgen naar hoogten van 10 tot 15 kilometer, dat is de diepte die wolken nodig hebben om te groeien om als onweersbuien te fungeren."

Dit "vochtigheid-meeslepen" mechanisme, waarin met aerosolen beladen wolken zich vermengen met en de vochtigheid van de omringende lucht veranderen, lijkt op zijn minst één verklaring te zijn voor hoe aërosolen de vorming van onweersbuien stimuleren, vooral in tropische gebieden waar de lucht over het algemeen relatief vochtig is.

"We hebben een nieuw mechanisme geleverd dat je een reden zou moeten geven om sterkere onweersbuien te voorspellen in delen van de wereld met veel aerosolen, ' zegt Abbott.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.