Kleine Partikel, die aus Spurengasen über dem offenen Meer Samenwolken bilden können

Neue Ergebnisse einer atmosphärischen Untersuchung über dem östlichen Nordatlantik zeigen, dass sich winzige Aerosolpartikel, aus denen sich Samenwolken bilden, fast aus dem Nichts über dem offenen Ozean bilden können. Diese „Partikelneubildung“ tritt auf, wenn das Sonnenlicht mit Molekülen von Spurengasen in der marinen Grenzschicht reagiert, der Atmosphäre etwa einen Kilometer über der Erdoberfläche. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikationwird verbessern, wie Aerosole und Wolken in Modellen dargestellt werden, die das Erdklima beschreiben, damit Wissenschaftler verstehen können, wie die Partikel – und die Prozesse, die sie steuern – die Vergangenheit und Gegenwart des Planeten beeinflusst haben könnten, und bessere Vorhersagen treffen können über die Zukunft.

„Wenn wir von ’neuer Partikelbildung‘ sprechen, sprechen wir von einzelnen Gasmolekülen, die manchmal nur wenige Atome groß sind und mit Sonnenlicht reagieren“, sagte der Co-Autor der Studie, Chongai Kuang, Mitglied der Abteilung für Umwelt- und Klimawissenschaften des Brookhaven National Laboratory. des Energieministeriums der Vereinigten Staaten. „Es ist interessant darüber nachzudenken, wie sich etwas in dieser Größenordnung auf unser Klima auswirken könnte – darauf, wie viel Energie in unserer Atmosphäre reflektiert oder gefangen wird“, sagte er.

Aber modellieren Sie die Details, wie Aerosol Partikel bilden sich und wachsen, und wie Wassermoleküle auf ihnen zu Wolkentröpfchen kondensieren und WolkenDie Überlegung, wie sich unterschiedliche Aerosoleigenschaften (z. B. Größe, Anzahl und räumliche Verteilung) auf diese Prozesse auswirken, ist jedoch äußerst komplex – insbesondere, wenn Sie nicht wissen, woher alle Aerosole stammen. Ein Team von Brookhaven-Wissenschaftlern und Mitarbeitern der Atmosphärenforschung auf der ganzen Welt machte sich daher auf die Suche nach Daten in einer relativ unberührten Meeresumgebung. In dieser Umgebung erwarteten sie eine geringe Konzentration an Spurengasen und eine besonders empfindliche Wolkenbildung gegenüber Aerosoleigenschaften – ein ideales „Labor“, um die komplexen Wechselwirkungen zu entwirren.

„Dies war ein Experiment, bei dem Brookhavens umfassendes und kollaboratives Know-how in Bezug auf Aerosolbeobachtungen und Wolkendecke wirklich genutzt wurde“, sagte Kuang. Drei der Hauptforscher – die Hauptautoren Guangjie Zheng und Yang Wang sowie Jian Wang, Hauptforscher der Aerosol- und Wolkenexperimente im östlichen Nordatlantik (ACE-ENA) – begannen ihre Beteiligung an dem Projekt während ihrer Arbeit in Brookhaven. arbeiten seit dem Umzug an die Washington University in St. Louis im Jahr 2018 weiterhin eng mit dem Labor zusammen.

Land und Meer

Die Studie verwendete eine Langzeit-Bodenprobenahmestation auf der Insel Graciosa auf den Azoren (ein Archipel 850 Meilen westlich von Kontinentalportugal) und ein Gulfstream-1-Flugzeug, das mit 55 atmosphärischen Instrumentensystemen ausgestattet war, um Messungen in verschiedenen Höhen über der Insel und bei Meer. Sowohl die Bodenstation als auch das Flugzeug gehören zur Benutzereinrichtung des DOE Office of Science (ARM) für die Messung der atmosphärischen Strahlung (ARM), die von einem Konsortium aus neun nationalen DOE-Labors verwaltet und betrieben wird.

Das Team flog das Flugzeug auf „Schweinswalflügen“ auf und ab durch die Grenzschicht, um vertikale Profile der Partikel und Vorläufergasmoleküle zu erhalten, die in verschiedenen Höhen vorhanden waren. Und sie koordinierten diese Flüge mit Messungen von der Bodenstation.

Die Wissenschaftler erwarteten keine neue Partikelbildung in der Grenzschicht in dieser Umgebung, da sie erwarteten, dass die Konzentration der kritischen Vorläuferspurgase zu niedrig sein würde.

„Aber es gab Partikel, die wir an der Oberfläche gemessen haben und die größer waren als neu gebildete Partikel, und wir wussten einfach nicht, woher sie kamen“, sagte Kuang.

Die Flugzeugmessungen gaben ihre Antwort.

„Dieses Flugzeug hatte während der Messkampagne sehr spezifische Flugmuster“, sagte Kuang. „Sie sahen Hinweise darauf, dass in der Höhe neue Partikel gebildet wurden – nicht an der Oberfläche, sondern in der oberen Grenzschicht.“ Die Beweise umfassten eine Kombination aus erhöhten Konzentrationen kleiner Partikel, geringen Konzentrationen bereits vorhandener Aerosoloberflächen und deutlichen Anzeichen dafür, dass reaktive Spurengase wie Dimethylsulfid vertikal transportiert wurden – zusammen mit atmosphärischen Bedingungen, unter denen diese Gase mit Sonnenlicht reagieren können.

„Sobald diese Aerosolpartikel gebildet sind, ziehen sie zusätzliche Gasmoleküle an, die kondensieren und dazu führen, dass die Partikel einen Durchmesser von etwa 80 bis 90 Nanometern erreichen. Diese größeren Partikel werden dann nach unten transportiert – was wir an der Oberfläche messen. ., Sagte Kuang.

„Die Flächenmessungen und die Flugzeugmessungen geben uns ein sehr gutes räumliches Bild der Aerosolprozesse, die stattfinden“, bemerkte er.

Ab einer bestimmten Größe werden die Partikel groß genug, um Wasserdampf anzuziehen, der zu Wolkentröpfchen und schließlich zu Wolken kondensiert.

Sowohl die einzelnen Aerosolpartikel, die in der Atmosphäre schweben, als auch die Wolken, die sie schließlich bilden, können Sonnenlicht reflektieren und / oder absorbieren und die Temperatur der Erde beeinflussen, erklärte Kuang.

Studieren Sie die Auswirkungen

Jetzt wissen die Wissenschaftler, dass sich über dem Wasser neue Aerosolpartikel bilden Offener OzeanWas können sie mit diesen Informationen anfangen?

„Wir nutzen dieses Wissen über das Geschehen und stellen sicher, dass dieser Prozess in Simulationen des Klimasystems der Erde erfasst wird“, sagte Kuang.

Eine weitere wichtige Frage: „Wenn dies eine so saubere Umgebung ist, woher kommen all diese Vorläufergase?“ Fragte Kuang. „Es gibt einige wichtige Vorläufergase, die durch biologische Aktivität im Ozean erzeugt werden (z. B. Dimethylsulfid), die auch zur Bildung neuer Partikel führen können. Dies könnte eine gute Fortsetzung dieser Untersuchung sein – die Erforschung dieser Quellen.“

Das Verständnis des Schicksals biogener Gase wie Dimethylsulfid, einer sehr wichtigen Schwefelquelle in der Atmosphäre, ist der Schlüssel zur Verbesserung der Fähigkeit der Wissenschaftler, vorherzusagen, wie Änderungen der Produktivität des Ozeans zur Aerosolbildung und damit zur Erweiterung führen werden. wird das Klima beeinflussen.