Ett team av forskare under ledning av University of California San Diego har för första gången identifierat vad som driver de observerade skillnaderna i den kemiska sammansättningen av havssprejpartiklar som kastas ut från havet genom att bryta vågor.

Upptäckten kan göra det möjligt för forskare att bättre förstå hur havets kemi och fysik direkt påverkar molnbildningsprocesser. Den förbättrade förståelsen kan göra klimatmodeller mer exakta, speciellt eftersom moln är den svåraste variabeln att skildra i nuvarande simuleringar.

Kimberly Prather, Distinguished Chair in Atmospheric Chemistry och en fakultetsmedlem i Department of Chemistry and Biochemistry och Scripps Institution of Oceanography vid UC San Diego, ledde den National Science Foundation-stödda studien. Hon sa att dess nyckelgenombrott involverade att visa att dropparna som skickas i luften av brytande vågor antar olika kemiska egenskaper beroende på de fysiska krafterna som induceras av vågorna.

"Det är första gången någon har visat att droppar från havsvatten har olika sammansättning på grund av produktionsmekanismen, ", sade Prather. "Vi avslöjar hur havsbiologin påverkar de fysiska produktionsprocesserna som skapar havssprayaerosol. Tidigare studier har fokuserat på de processer som är involverade i den fysiska produktionen av havssprayer, men våra studier har visat att kemi är kärnan i många processer för överföring av ocean-atmosfär som har djupgående effekter på sammansättningen av vår atmosfär såväl som moln och klimat."

Vissa havssprayaerosoler är "filmdroppar" som är laddade med mikrober eller organiskt material som samlas på havsytan. De bildas när bubblor vid havsytan spricker. Forskare hade i stort sett antagit att alla aerosoler mindre än en mikron i storlek var av denna sort. Prather och andra forskare visade, dock, att det finns andra molnbildande partiklar som härrör från "jet"-droppar som till övervägande del består av mycket olika kemiska arter inklusive havssalt, mikrober, och andra biologiska arter. Dessa nya droppar kastas ut i efterdyningarna av bubblor som poppar.

Dessa två typer av aerosoler har olika förmåga att bilda iskristaller i moln, vilket betyder att om ett moln faktiskt inte producerar någon nederbörd, regn, eller snö kan bestämmas av typen av mikrober och tillhörande biomolekyler som stöts ut från havet. Mer viktigt, närvaron av en stor blomning av växtplankton, som händer under rödvattenhändelser, ändrar förhållandet mellan film och stråldroppar, vilket innebär att biologiska processer kan leda till djupgående förändringar i havssprutkemin och i slutändan molnbildning.

Studien, "Jets och filmens roll minskar när det gäller att kontrollera blandningstillståndet för submikrona havssprayaerosolpartiklar, " visas den 19 juni i tidiga upplagor av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

Forskarna fann att jetproducerade partiklar kan utgöra nästan hälften av det totala antalet submikrona havssprayaerosoler som bidrar till molnbildning. För att nå denna slutsats, forskare inducerade växtplanktonblomningar i naturligt havsvatten pumpat in i våggenererande tankar vid ett Scripps-laboratorium. Förhållandena efterliknade de i havet som producerar havsspray. Forskarna särskiljde filmen från jetdroppar när de steg i luften ovanför vågorna genom att observera deras olika elektriska laddningar. Jet-havssprayaerosoler har en större laddning än filmaerosoler.

Fynden är de senaste som kommit från forskare vid UC San Diego på en av klimatets mest mystiska gränser:hur aerosoler produceras på land och till havs - oavsett om havssalt, organiskt material, damm, eller föroreningspartiklar - bestäm om moln bildas och om dessa moln kan producera nederbörd. Prather, som banade väg för metoder för att analysera den kemiska sammansättningen av luftburna partiklar, är chef för Center for Aerosol Impacts on Chemistry of the Environment (CAICE) vid UC San Diego där arbetet utfördes. Under 2013, National Science Foundation utsåg CAICE till ett NSF Center for Chemical Innovation, ett av nio sådana centra i USA.

Medförfattare till studien representerade en rad discipliner från biokemi till marin mikrobiologi. Scripps oceanografer Grant Deane och Dale Stokes bidrog till studien och i efterarbete kommer de att försöka se om de kan bestämma sammansättningen av havsytans aerosolblandningar genom att mäta hur länge bubbelfyllda havswhitecaps håller.

Deane sa att studiens bedrift sannolikt inte kunde ha uppnåtts av någon av forskarna som arbetade ensam, gör det till en modell för hur komplex miljöforskning görs.

"Det är ett verkligt samarbete mellan kemister, biologer, och fysiska oceanografer, "Sade Deane. "Det är så den här typen av arbete måste utföras."