Nieuwe resultaten van een atmosferisch onderzoek boven de oostelijke Noord-Atlantische Oceaan onthullen dat kleine aerosoldeeltjes die de vorming van wolken zaaien, zich vanuit het niets boven de open oceaan kunnen vormen. Deze "nieuwe deeltjesvorming" vindt plaats wanneer zonlicht reageert met moleculen van sporengassen in de mariene grenslaag, de atmosfeer binnen ongeveer de eerste kilometer boven het aardoppervlak. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , zal verbeteren hoe aërosolen en wolken worden weergegeven in modellen die het klimaat op aarde beschrijven, zodat wetenschappers kunnen begrijpen hoe de deeltjes - en de processen die ze beheersen - het verleden en heden van de planeet kunnen hebben beïnvloed, en betere voorspellingen te doen over de toekomst.

"Als we zeggen 'nieuwe deeltjesvorming, ' we hebben het over individuele gasmoleculen, soms slechts enkele atomen groot, reageren met zonlicht, " zei co-auteur van de studie Chongai Kuang, een lid van de afdeling Milieu- en Klimaatwetenschappen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Het is interessant om na te denken over hoe iets van die omvang zo'n impact kan hebben op ons klimaat - op hoeveel energie wordt gereflecteerd of vastgehouden in onze atmosfeer, " hij zei.

Maar door de details te modelleren van hoe aerosoldeeltjes zich vormen en groeien, en hoe watermoleculen erop condenseren om wolkendruppels en wolken te worden, rekening houdend met hoe verschillende aerosoleigenschappen (bijv. hun grootte, nummer, en ruimtelijke verdeling) die processen beïnvloeden, is buitengewoon complex, vooral als je niet weet waar alle aerosolen vandaan komen. Dus een team van wetenschappers uit Brookhaven en medewerkers van atmosferisch onderzoek over de hele wereld gingen op zoek om gegevens te verzamelen in een relatief ongerepte oceaanomgeving. In die omgeving, ze verwachtten dat de concentratie van sporengassen laag zou zijn en dat de vorming van wolken bijzonder gevoelig zou zijn voor aerosoleigenschappen - een ideaal 'laboratorium' om de complexe interacties te ontwarren.

"Dit was een experiment dat echt gebruik maakte van brede en collaboratieve expertise in Brookhaven op het gebied van aerosolobservaties en wolkenobservaties, " zei Kuang. Drie van de hoofdonderzoekers - hoofdauteurs Guangjie Zheng en Yang Wang, en Jian Wang, hoofdonderzoeker van de Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA) -campagne - begonnen hun betrokkenheid bij het project tijdens hun werk in Brookhaven en zijn nauwe samenwerkingen gebleven met het Lab sinds ze in 2018 naar de Washington University in St. Louis verhuisden.

Land en zee

De studie maakte gebruik van een langdurig grondmonsterstation op het eiland Graciosa op de Azoren (een archipel 850 mijl ten westen van continentaal Portugal) en een Gulfstream-1-vliegtuig uitgerust met 55 atmosferische instrumentsystemen om metingen te doen op verschillende hoogten boven de eiland en op zee. Zowel het grondstation als het vliegtuig behoren tot de gebruikersfaciliteit voor atmosferische stralingsmeting (ARM) van het DOE Office of Science, beheerd en geëxploiteerd door een consortium van negen nationale DOE-laboratoria.

Het team vloog het vliegtuig op "bruinvisvluchten, " stijgen en dalen door de grenslaag om verticale profielen te krijgen van de deeltjes en precursorgasmoleculen die op verschillende hoogten aanwezig zijn. En ze coördineerden deze vluchten met metingen vanaf het grondstation.

De wetenschappers hadden niet verwacht dat er in deze omgeving nieuwe deeltjesvorming zou plaatsvinden in de grenslaag, omdat ze verwachtten dat de concentratie van de kritische precursorsporengassen te laag zou zijn.

"Maar er waren deeltjes die we aan het oppervlak hebben gemeten die groter waren dan nieuw gevormde deeltjes, en we wisten gewoon niet waar ze vandaan kwamen, ' zei Kuang.

De vliegtuigmetingen gaven hen hun antwoord.

"Dit vliegtuig had zeer specifieke vluchtpatronen tijdens de meetcampagne, Kuang zei. "Ze zagen bewijs dat nieuwe deeltjesvorming plaatsvond in de lucht - niet aan de oppervlakte maar in de bovenste grenslaag." Het bewijs omvatte een combinatie van verhoogde concentraties van kleine deeltjes, lage concentraties van reeds bestaand aerosoloppervlak, en duidelijke tekenen dat reactieve sporengassen zoals dimethylsulfide verticaal werden getransporteerd - samen met atmosferische omstandigheden die gunstig zijn voor die gassen om te reageren met zonlicht.

"Vervolgens, zodra deze aerosoldeeltjes zich vormen, ze trekken extra gasmoleculen aan, die condenseren en ervoor zorgen dat de deeltjes groeien tot ongeveer 80-90 nanometer in diameter. Deze grotere deeltjes worden dan naar beneden getransporteerd - en dat is wat we aan de oppervlakte meten, ' zei Kuang.

"De oppervlaktemetingen plus de vliegtuigmetingen geven ons een heel goed ruimtelijk beeld van de aerosolprocessen die plaatsvinden, " hij merkte.

Bij een bepaalde maat de deeltjes worden groot genoeg om waterdamp aan te trekken, die condenseert om wolkendruppels te vormen, en uiteindelijk wolken.

Zowel de individuele aerosoldeeltjes die in de atmosfeer zweven als de wolken die ze uiteindelijk vormen, kunnen zonlicht weerkaatsen en/of absorberen en de temperatuur van de aarde beïnvloeden. legde Kuang uit.

Studie implicaties

Dus nu de wetenschappers weten dat er zich nieuwe aerosoldeeltjes vormen boven de open oceaan, wat kunnen ze met die informatie?

"We nemen deze kennis van wat er gebeurt en zorgen ervoor dat dit proces wordt vastgelegd in simulaties van het klimaatsysteem van de aarde, ' zei Kuang.

Een andere belangrijke vraag:"Als dit zo'n schone omgeving is, waar komen dan al deze voorlopergassen vandaan?" vroeg Kuang. "Er zijn enkele belangrijke voorlopergassen die worden gegenereerd door biologische activiteit in de oceaan (bijv. dimethylsulfide) dat ook kan leiden tot de vorming van nieuwe deeltjes. Dat kan een mooie vervolgstudie zijn op deze - het verkennen van die bronnen."

Inzicht in het lot van biogene gassen zoals dimethylsulfide, dat een zeer belangrijke bron van zwavel in de atmosfeer is, is de sleutel tot het verbeteren van het vermogen van wetenschappers om te voorspellen hoe veranderingen in de oceaanproductiviteit de vorming van aerosolen zullen beïnvloeden en, door verlenging, klimaat.