bomen, gewassen en andere vegetatie in het middenwesten van de Verenigde Staten fungeren in de zomer als grote koolstofputten, opname van kooldioxide (CO ₂ ) en het beperken van de hoeveelheid broeikasgas die in de atmosfeer terechtkomt. Wat er met koolstofdioxide gebeurt als een koufront naderbij komt, is grotendeels een mysterie gebleven. maar door Penn State geleid onderzoek biedt nieuwe inzichten die kunnen helpen bij het verbeteren van wereldwijde koolstofmodellen.

"De focus van dit onderzoek is om te begrijpen en te kwantificeren hoe lagedruksystemen koolstofdioxide in de atmosfeer transporteren, " zei Ken Davis, hoogleraar atmosferische en klimaatwetenschap aan Penn State. "Dit maakt deel uit van een grotere inspanning, het Atmospheric Carbon and Transport-America (ACT-America) project, om te leren hoe metingen van koolstofdioxide in de atmosfeer te interpreteren om bronnen en putten van koolstofdioxide op het aardoppervlak correct af te leiden. Om dit te doen, we moeten weten hoe koolstofdioxide wordt gemengd door de atmosfeer, en er is in het verleden niet veel aandacht geweest voor hoe lagedruksystemen rond dit broeikasgas klotsen."

De meeste modellen die zich bezighouden met koolstof in de atmosfeer, richten zich eerder op mondiale dan op regionale trends, hij voegde toe, en geeft mogelijk niet goed de veranderingen in atmosferische kooldioxide weer die tijdens deze systemen optreden.

Om het fenomeen beter te begrijpen, de onderzoekers bestudeerden kooldioxideniveaus boven Lincoln, Nebraska, voordat, tijdens en na een koufront dat in augustus 2016 door het gebied trok. Koudefronten ontstaan ​​wanneer een koude luchtmassa in een warmere luchtmassa duwt, en ze kunnen onweersbuien veroorzaken en de temperaturen dramatisch dalen. Het onderzoeksteam deed metingen vanuit twee vliegtuigen. Het vliegtuig passeerde de frontale grens van het systeem - waar de warme en koude luchtmassa's elkaar ontmoeten - meerdere keren. Ze vlogen ook op meerdere hoogtes, tussen ongeveer 1, 000 en 26, 000 voet, en registreerde de veranderingen in kooldioxideniveaus in de warme en koude sectoren van het systeem.

De wetenschappers voerden de gegevens in een computermodel in dat op drie verschillende resoluties naar koolstofdioxideniveaus keek. De resoluties varieerden van negen tot 1, 600 keer hogere gebiedsresolutie dan wat wordt gebruikt in globale modellen, waardoor de onderzoekers een nauwkeuriger beeld krijgen van wat er met koolstofdioxide gebeurt als het systeem passeert. Ze richtten zich ook op drie categorieën koolstofdioxidebronnen en -putten:biogene fluxen, of kooldioxide opgenomen en ingeademd door planten, bacteriën en dieren, inclusief mensen; fossiele brandstofbronnen zoals auto's en fabrieken; en grensfluxen, of in dit geval bronnen en putten van koolstofdioxide buiten het Noord-Amerikaanse continent. Ze rapporteerden hun bevindingen in het meinummer van JGR-sferen .

"We hebben een enorme band koolstofdioxide gevonden die vastzit rond het frontale systeem, " zei Arkayan Samaddar, een promovendus bij de afdeling Meteorologie en Atmosferische Wetenschappen van Penn State. Het onderzoek maakt deel uit van het proefschrift van Samaddar. "Door het met zo'n hoge resolutie te analyseren, we zien dat het niet slechts één uniforme band koolstofdioxide is. We zien veel meer structuur en krijgen meer informatie dan wanneer we het globaal zouden bekijken. Door op regionale schaal naar koolstofdioxide te kijken, kunnen we bronnen en putten beter bepalen."

De onderzoekers ontdekten dat tijdens dit zomerfront, biologische bronnen en putten waren verantwoordelijk voor de grootste veranderingen in atmosferische kooldioxide, wat niet verwonderlijk is aangezien planten, dieren en mensen nemen voortdurend koolstofdioxide op en ademen pieken in de biologische activiteit in de zomer, volgens Davis.

"Bij planten zie je niet zo snel het verschil tussen fotosynthese, wanneer ze kooldioxide opnemen, en ademhaling, wanneer ze het vrijgeven. Atmosferische kooldioxide reageert op de netto-uitwisseling, ' zei Davy.

Het verschil tussen de categorieën biogene en fossiele brandstoffen, Davis voegde toe, is dat de eerste categorie zowel een bron als een grote put is die helpt de uitstoot van fossiele brandstoffen te verminderen, terwijl de categorie fossiele brandstoffen een continue bron van kooldioxide is.

De wetenschappers merkten op dat de bronnen en putten een consistent patroon van koolstofdioxide in de atmosfeer creëerden. 's Nachts, kooldioxideniveaus nabij het aardoppervlak piekten tot meer dan 410 delen per miljoen voordat ze gedurende de dag daalden tot 380 delen per miljoen als gevolg van fotosynthese door planten. Niveaus van het gas in de atmosferische grenslaag, dat is het laagste deel van de atmosfeer en kan zich uitstrekken tot een hoogte van ongeveer 16, 400 voet, relatief consistent gebleven, variërend van 380 delen per miljoen in het onderste deel van de grenslaag tot ongeveer 395 delen per miljoen in de bovenste lagen. Niveaus van kooldioxide boven de atmosferische grenslaag, tot een hoogte van ongeveer 28, 000 voet, varieerde van 400 tot 405 delen per miljoen.

De onderzoekers ontdekten dat toen het frontale systeem introk, horizontale winden verstoorden dit patroon en wakkerden de atmosfeer aan, het verplaatsen van koolstofdioxide naar de bovenste atmosfeer.

"Als de warme sector van het front passeert, we zien dit bijna constante veld van hogere koolstofdioxide dat zich uitstrekt van het aardoppervlak helemaal tot 28, 000 voet, ' zei Samaddar. 'We hebben dit nog nooit eerder gezien.'

De wetenschappers denken dat de hoge kooldioxide in de warme sector afkomstig is van ecosystemen in de regio van de Golfkust. Ecosystemen daar ademden mogelijk meer dan ze fotosynthetiseerden toen de gegevens werden verzameld, terwijl gewassen en bossen in het middenwesten van de VS en Canada netto-putten van koolstofdioxide lijken te zijn geweest, zei Davis.

De warme sector wordt onmiddellijk gevolgd door de koude sector, dat is een koude luchtmassa met lagere koolstofdioxidegehaltes die uit Canada komt. De koude sector verlaagt het kooldioxidegehalte in de atmosferische grenslaag tot aan het aardoppervlak, en dan komt het regelmatige patroon van kooldioxide weer op gang, zei Samaddar.

"Deze informatie is niet alleen nuttig voor wetenschappers die koolstofdioxidebronnen en -putten proberen te achterhalen, maar ook voor modelbouwers om te zien of de beweging van koolstofdioxide in hun wereldwijde koolstofmodellen correct is, " hij zei.

De onderzoekers proberen nu te meten hoeveel koolstofdioxide door deze frontale systemen in de bovenste atmosfeer wordt geduwd.