Forscher enthüllen die Herkunft von Partikeln, die das Klima regulieren

Aerosolpartikel sind winzig klein. Die meisten schweben in der Luft um uns herum und sind kleiner als das kleinste Insekt, feiner als das feinste Haar auf Ihrem Kopf, durchsichtige Partikel, die für das bloße Auge praktisch unsichtbar sind. Die neu gebildeten Partikel haben eine Größe im Nanometerbereich. Dennoch ist ihr Einfluss gigantisch.

Sie bestimmen die Farbe der Sonnenuntergänge. Sie verursachen jedes Jahr mehr als drei Millionen vorzeitige Todesfälle. Und sie haben beträchtlichen Einfluss auf unser Klima.

Trotz ihrer unverhältnismäßigen Wirkung bleiben Aerosole ein Rätsel. Wie entstehen neue Aerosolpartikel? Wo werden sie geboren und unter welchen Bedingungen? Diese Fragen beunruhigen Klimaforscher seit Jahrzehnten und sorgen für eine gewisse Unsicherheit bei den Klimamodellen.

In einer neuen Arbeit hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums endlich einige der grundlegendsten Fragen zur Entstehung neuer Aerosolpartikel beantwortet. Durch die Berücksichtigung der Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zwischen den Substanzen, aus denen diese winzigen Partikel bestehen, in einem Modell des Erdsystems konnte das Team, dessen Arbeit im Rahmen des EAGLES-Projekts (Enabling Aerosol-cloud interactions at GLobal konvektionserlaubender Maßstab (ES) hat drei wichtige Meilensteine ​​erreicht.

Sie integrierten 11 neue Wege, auf denen sich neue Aerosolpartikel bilden, in ein globales Klimamodell, identifizierten, wo auf der Welt diese Wege auftreten, und bewerteten ihre möglichen Auswirkungen auf das Erdklima.

„Die korrekte Darstellung der Bildung neuer Partikel war uns schon seit einiger Zeit ein Dorn im Auge“, sagte Po-Lun Ma, Geologe und Hauptforscher von EAGLES. „Nachdem wir diese neuen Mechanismen identifiziert haben, sollten unsere Ergebnisse zwei wichtige Auswirkungen haben: die bisher größte Quelle der Unsicherheit in der Aerosol- und Klimawissenschaft deutlich reduzieren und unsere Fähigkeit verbessern, vorherzusagen, wie sich das Erdsystem verändern könnte.“ »

Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht NaturDie Arbeit stellt eine Gemeinschaftsleistung vieler Institutionen dar.

Partikel-Hotspots

Aerosolpartikel entstehen auf unterschiedliche Weise. Einige, Primärgase genannt, werden direkt in die Atmosphäre geschleudert, wie Staub aus einer Wüste oder Asche aus einem Vulkan. Andere entstehen am Himmel als Produkte von Gasen, die sich in der atmosphärischen Umgebung vermischen. Es sind diese Partikel, die die Aufmerksamkeit des EAGLES-Teams auf sich ziehen.

Neue Teilchen werden nicht irgendwo geboren; Es gibt Hotspots. Ein Großteil der Handlung findet über Wäldern statt, beispielsweise in den Regenwäldern Zentralamazoniens und Südostasiens.

Dort ermöglicht die „saubere“ Luft, frei von Primäraerosolen, die entsprechende chemische Durchmischung, wodurch neue Partikel entstehen. Wissenschaftler haben über diesen Wäldern riesige Konzentrationen neuer Partikel entdeckt.

Doch aktuelle Klimamodelle sind für diese Partikelspitzen teilweise blind. Bei der Schätzung der Anzahl vorhandener Partikel oder ihrer Position in der Atmosphäre unterschätzen selbst die besten Modelle deren Häufigkeit erheblich oder geben die Höhen, in denen sie auftreten, falsch an.

Dank der neuen Routen, die das EAGLES-Team entwickelt hat, ist dieser tote Winkel nun geklärt. Als das Team diese Pfade in das Erdsystemmodell E3SM des DOE einbaute, stimmten die Partikelspitzen mit denen überein, die sie bei realen Beobachtungen beobachtet hatten.

Das überarbeitete Modell simulierte nicht nur die Menge dieser Partikel korrekt, sondern ermöglichte es den Forschern auch, sie dort zu lokalisieren, wo sie sie während Feldkampagnen gefunden hatten, und identifizierte korrekt, dass viele dieser neuen Partikel in der hohen Troposphäre vorkommen. Das Team erzielte ähnliche Ergebnisse, indem es Modellvorhersagen mit tatsächlichen Messungen an anderen Hotspots, etwa über Ozeanen und Städten, abgleichte.

Aus globaler Sicht stellte das Team fest, dass die durchschnittliche globale Konzentration dieser Partikel fast dreimal so hoch war wie die mit herkömmlichen Methoden geschätzte Menge.

Wolken, die das Klima regulieren

Aerosole und Wolken stehen in einer engen Beziehung. Aerosolpartikel sind die Keime von Wolken. Luftfeuchtigkeit kondensiert auf der Oberfläche von Aerosolpartikeln, wobei ein Wassermolekül nach dem anderen koaguliert wie auf einem Kegel geschichtete Zuckerwattestränge.

Die Eigenschaften eines Partikels (seine chemische Zusammensetzung, Größe und Struktur) bestimmen die Eigenschaften der Wolke, die sich um ihn herum bildet. Eine Partikelart kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass es in der entsprechenden Wolke regnet. Eine andere Art von Teilchen kann darüber entscheiden, ob eine Wolke mehr oder weniger Sonnenlicht reflektiert, was wiederum darüber entscheidet, ob sich die Erdatmosphäre mehr oder weniger erwärmt.

Auf diese Weise steuern Wolken und Aerosolpartikel einen Großteil unseres Wetters und Klimas. Sie können die Struktur und Strömung der Erdatmosphäre erwärmen, abkühlen oder sogar verändern.

Viele Wissenschaftler glauben, dass neue Teilchen, wie sie das EAGLES-Team zu verstehen versucht, etwa die Hälfte der Samen ausmachen, die sich später in Wolken verwandeln. In der neuen Arbeit zeigt das Team jedoch, dass diese Partikel in einigen Regionen für noch mehr Partikel verantwortlich sein könnten.

Über den tropischen und mittleren Breitenmeeren könnten neue lokal erzeugte Partikel bis zu 80 % des Materials ausmachen, auf dem Wolken kondensieren. Über Europa und den östlichen Vereinigten Staaten könnten sie 65 % des ursprünglichen Wolkenmaterials ausmachen.

Die Rolle von Partikeln bei der Klimareaktion

Das Verständnis des Einflusses von Aerosolen auf das Erdklima ist für die Vorhersage der Entwicklung unseres Planeten von entscheidender Bedeutung. Wenn Länder versuchen, die globale Erwärmung durch Reduzierung ihrer Emissionen einzudämmen, wird das Klima im Gegenzug reagieren. Es sei unbedingt erforderlich, die Klimamodelle zu verbessern, um die Komplexität des Erdsystems besser widerzuspiegeln, sagte Ma, um vorherzusagen, wie das Klima reagieren wird.

„Unser Hauptziel ist es, immer realistischere Darstellungen des Klimasystems zu schaffen“, sagte Ma. „Und Aerosole waren ein großes Hindernis auf dem Weg zu diesem Ziel.“ Wir stützen uns stark auf Erdsystemmodelle, um Emissionsszenarien zu testen und Klimareaktionen vorherzusagen. Je mehr sie die Realität widerspiegeln, desto sicherer können wir in unseren Vorhersagen sein. »

Obwohl Aerosolpartikel noch viele Rätsel aufgeben, arbeiten die Forscher kontinuierlich daran, diese Unsicherheit auszuräumen, sagte der Geologe Hailong Wang, Mitautor der neuen Studie.

„Wir können nicht mit Sicherheit sagen, welche vollständigen Auswirkungen ihre Anwesenheit oder Abwesenheit haben wird, bis wir ein solides, mechanistisches Verständnis der Aerosolpartikel haben“, sagte Wang. „Und diese Forschung markiert einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Verständnisses.“ »