Jon Thompson försöker upptäcka hur partiklarnas sammansättning och morfologi påverkar deras förmåga att absorbera eller reflektera ljus, därmed värmer eller kyler klimatet.

Fokus på de bakomliggande orsakerna till klimatförändringar är mestadels centrerad på koldioxid (CO2), som kan leva i atmosfären i mer än 100 år. Att minska mängden koldioxid har varit målet för många som arbetar för att minska klimatförändringarna.

Men koldioxid är inte den enda faktorn som har lett till ett förändrat klimat. Partiklar, mer allmänt känd som atmosfäriska aerosoler, existerar i atmosfären med ett antal koncentrationer på flera tusen per kubikcentimeter luft och kan antingen värma eller kyla atmosfären. Aerosoler som absorberar solljus starkt kommer att värma atmosfären, medan de som reflekterar solljus tillbaka till rymden kommer att kyla jorden. Det specifika förhållandet mellan ljus reflekterat och absorberat ljus är avgörande för att bestämma nettoeffekten. Detta förhållande beskrivs av aerosolalbedo.

Men vilka är de faktorer som bestämmer den exakta mängden ljus som absorberas eller reflekteras av aerosol? Det här är frågan från Texas Tech University -forskaren Jon Thompson har försökt lösa sedan hans dagar som doktorand.

"På den tiden var det känt att aerosoler troligen påverkade klimatet, men forskare ville ha bättre kvantitativa begränsningar för dessa effekter, "sa Thompson, docent vid Institutionen för kemi och biokemi. "Den övergripande vetenskapliga frågan är, vad är klimatpåverkan av de atmosfäriska aerosolerna? Ökar eller minskar närvaron av aerosoler planetens reflekterande, och vad är nettoeffekten på temperaturen? "

Att göra det, forskare har undersökt inte bara de olika typerna av aerosoler som finns i atmosfären utan också deras kombination med andra kemikalier, särskilt svart kol, och hur det påverkar reflektivitet.

Vad är en aerosol?

Nämn aerosol för den genomsnittliga personen och de har syner på hårspray eller andra hushållsutsläpp från en trycksatt burk som sprids i en dimma. Men det är inte den typ av aerosol som Thompson och hans medforskare har undersökt genom åren.

"Jag förstår det faktiskt mycket och det är en av missuppfattningarna, människor tror ofta att jag forskar om deodoranter eller något liknande, "Sa Thompson.

En aerosol definieras som en blandning av fina fasta partiklar eller flytande droppar i luft eller annan gas. Det finns flera källor till aerosoler som finns i atmosfären men de faller i huvudsak i två kategorier - naturliga eller konstgjorda, även känd som antropogen.

En naturlig aerosolkälla som är vanligast i västra Texas är vindblåst damm, som förekommer i områden med hög vind och låg luftfuktighet. Men vindblåst damm kan resa flera tusen miles från dess källa. Det är inte ovanligt att hitta öken sandpartiklar som härrör från Saharaöknen i Florida eller till och med östra Texas. En annan naturlig aerosolkälla är havssalt -aerosol, som är sprayen som skapas genom att bryta vågor i havet. En tredje källa till naturlig aerosol är resultatet av vulkanutbrott som släpper ut svaveldioxid (SO2) som kan reagera i atmosfären för att skapa sulfat -aerosol.

Sulfat aerosol är en sekundär aerosol, som är aerosoler som bildas från en kemisk reaktion i atmosfären i stället för att direkt avges. Men många sekundära aerosoler har antropogena källor, såsom bränning av kol eller bränslen som innehåller svavel, ammoniak från jordbruk, eller oförbrända fossila bränslen.

"När föregångargaserna börjar reagera, de har en tendens att införliva syreatomer i reaktionsprodukterna, och det gör de resulterande materialen mindre flyktiga, "Sa Thompson." Som ett resultat, reaktionsprodukterna börjar kondensera till andra partiklar vilket ökar massan av den sekundära aerosolen. Det är den process vi ser i många stora befolkningscentra, som Los Angeles och Bejing, Kina. "" Avsättning av ytterligare material kan dramatiskt förändra partiklarnas optiska egenskaper, så att studera processen och resulterande förändringar är avgörande för att förstå aerosolens klimateffekt. "

Mätning av aerosoloptiska egenskaper

Thompson började undersöka frågan om aerosoloptik som en del av en grupp som anpassade metoden Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) för att mäta aerosoler medan han arbetade med sin avhandling. CRDS är en process där ljus från en pulserande laser studsar fram och tillbaka mellan högreflekterande speglar för att skapa en lång väg - vanligtvis flera kilometer - för att mäta optisk förlust.

Thompson och hans kollegor integrerade CDRS med Integrating Sphere Nepholometry (ISN), som ursprungligen utvecklades av forskare vid University of Nevada-Reno. ISN använder lasrar och en sfärisk kammare för att mäta hur mycket ljus som sprids av aerosoler.

Genom att kombinera de två teknikerna, Thompson och hans kollegor bestämde att de samtidigt kunde mäta hur mycket ljus som sprids av aerosoler och hur mycket som absorberas med samma prov, och att göra det i en naturligt förekommande atmosfär förhindrade att aerosolpartiklarna ackumulerades på ett filter, som kan förändra resultaten. Ytterligare instrumentframsteg har möjliggjort mätning av masskoncentrationen av svart kol eller sot i samband med de optiska mätningarna.

Detta är det som är känt som mätning av aerosolens albedo.

"Om albedo är lika med en, aerosolpartiklarna är perfekt reflekterande och absorberar inte alls ljus, "Thompson sa." Om albedo är lika med noll, som aldrig inträffar, de är perfekt absorberande. Ändå, vi kan mäta det förhållandet, och det är oerhört viktigt för att avgöra om aerosolen i atmosfären kommer att leda till uppvärmning eller kylning av klimatet. "

Svart kol

En av de stora okända faktorerna för om aerosoler kommer att absorbera eller reflektera ljus är deras interaktion med svart kol, som bildas av ofullständig förbränning från diesel- eller bensinmotorer.

Blandning av svart kol med ett sekundärt material som organiska ämnen eller sulfater ökar faktiskt absorptionsförmågan hos de blandade partiklarna, men hur mycket beror på var det svarta kolet ligger, oavsett om det är i mitten av partikeln eller fäst vid sidan.

Fuktighet spelar också en stor faktor i partiklarnas sammansättning. Svart kol i sig är inte särskilt adsorberande av vatten, men när den blandas med sulfat eller nitrat, det blir mer hygroskopiskt och tar upp vatten från atmosfären, som gör att partikeln kan växa.

"Vi vill studera partikelns organisation och veta hur materialen blandas och var det svarta kolet finns i partikeln, "Sa Thompson." Löser det sig? Fördjupas den till mitten av droppen? Är det på ytan? Hur påverkar det materialets ljusabsorberande egenskaper? Vi tror att dessa detaljer inte alla har utarbetats, men de har djupa konsekvenser för mängden ljus som absorberas. "

Thompson har tidigare gjort optiska mätningar både i ett labb här i Lubbock - och i Houston, där klimatet är mycket fuktigare längs Gulf Coast. Resultaten från dessa experiment visade lovande att, med ytterligare forskning, hemligheterna för aerosolpartikelorganisation med svart kol kan låsas upp och deras ljusabsorberande benägenheter kan bestämmas.

Thompson och hans kollegor hoppas kunna säkra ytterligare finansiering för att fortsätta denna forskning i större skala.

"Alla dessa saker måste utarbetas för att bättre förstå hur svart kol påverkar klimatsystemet, "Sa Thompson." Det är sådana saker vi skulle vilja arbeta med med de enheter vi har utvecklat. "