Ett enormt moln av föroreningar över södra Asien:Atmospheric Brown Cloud skapas under vintermånaderna varje år genom förbränning av biomassa och fossila bränslen. Kredit:NASA, Jeff Schmaltz, LANCE/EOSDIS Rapid Response
Samma fenomen återkommer varje år. Under torrperioden, på vintern, förbränning av fossila bränslen och biomassa i södra Asien skapar ett enormt föroreningsdis:Atmosfäriska bruna molnet. Hur och varför det försvinner så fort regnperioden börjar på våren har nu klarlagts av ett internationellt team av forskare under ledning av Max Planck Institute for Chemistry. Resultatet är att åskväder drar uppåt, blixtnedslag och kemiska reaktioner förstärker atmosfärens självrenande kraft, så att luftföroreningar effektivt kan tvättas ur luften. Dock, de föroreningar som inte elimineras transporteras in i den övre troposfären av monsunen och sprids sedan över hela världen.
Inget väderfenomen definierar Sydasien så mycket som monsunen:detta enorma cirkulationssystem leder till torrhet på vintern men ger intensiv nederbörd på sommaren. Sommarmonsunen skapas av uppvärmningen av luftmassor över den indiska subkontinenten och den varma luften som stiger. Som ett resultat, fuktig havsluft dras in och strömmar över land mot Himalaya. Djupa åskmoln producerar regn över regionen i månader, garantera vattenförsörjning och säkra skördar.
Atmosfärsforskare har länge misstänkt att de stigande luftmassorna också transporterar föroreningar högt upp i atmosfären, även ovanför regnmolnen. "Vi förutsåg att gasformiga och partikelformiga föroreningar överförs till en anticyklon, en enorm medurs cirkulation av vindar, som bildas ovanför molnen över södra Asien som ett resultat av åskvädrets konvektion, " säger Jos Lelieveld, Direktör vid Max Planck Institute for Chemistry. Geografiskt sett länderna i Bhutan, Nepal, Myanmar, Bangladesh, Tibet, Indien, Sri Lanka, Pakistan och Afghanistan är en del av Sydasien. I denna region, Utsläppen av kväveoxider och svaveldioxid från förbränning av kol och andra fossila bränslen har ökat med femtio procent under det senaste decenniet. Dock, föroreningsmolnet drivs också av andra källor, i synnerhet förbränning av biomassa av regionens stora befolkning.
Monsunen transporterar atmosfäriska föroreningar och eliminerar dem
Bevis på att den sydasiatiska monsunen faktiskt transporterar föroreningar genom molnskiktet så högt som stratosfären har nu tillhandahållits av en utarbetad expedition med forskningsflygplanet HALO:2015, Max Planck Institute for Chemistry, tillsammans med kollegor från Forschungszentrum Jülich, Karlsruhe Institute of Technology och German Aerospace Center (DLR), lanserade uppdraget "Oxidation Mechanism Observations" (OMO). "Våra forskningsflygningar visade att monsunen också effektivt tar bort föroreningar från atmosfären, " sa expeditionsledaren Lelieveld. Föroreningarna transporteras upp från ytan och omvandlas snabbt till föreningar som lättare tas bort av regn.
Forskargruppens studie avslöjade alltså monsunens dygd men också dess baksida:en stor del av Sydasiens föroreningar rör sig upp ovanför monsunmolnen in i anticyklonen. Där samlas de och distribueras sedan runt om i världen. Till exempel, nästan tio procent av Sydasiens svaveldioxidutsläpp når stratosfären, vilket i sin tur har effekter på klimatet och ozonskiktet. Monsunen representerar därför inte bara en typ av effektiv förorenande tvättmaskin, men bidrar samtidigt till globala luftföroreningar.
HALO avslöjar källorna till luftföroreningar och nedbrytningsprocesserna
Forskarna uppnådde dessa fynd från mätningar i anticyklonen:i juli och augusti flög de upp till 15 kilometer in i monsunutflödet, mellan östra Medelhavet och Indiska oceanen, och analyserade atmosfärens sammansättning med forskningsflygplanet HALO. De passerade regioner i Mellanöstern, Medelhavet och Nordafrika för att undersöka omfattningen av fenomenet.
Modelling results illustrate atmospheric pollution over South Asia. The left figure shows carbon monoxide emissions (CO) at an altitude of 12 to 17 kilometres, on the right is the same visualization but without emissions from South Asia. The figure on the left also shows the winds over the region, clearly revealing the anticyclone created by the monsoon. Credit:MPI for Chemistry
During the survey flights, they identified numerous chemical compounds in order to understand the sources of atmospheric pollution and the chemical processes in the atmosphere:sulphur dioxide and nitrogen oxides, ozon, aerosoler, chlorine-containing molecules, hydrocarbons and their degradation products.
More carbon monoxide and sulphur dioxide, but also more hydroxyl
Till exempel, the measurement flights revealed that carbon monoxide and sulphur dioxide concentrations within the anticyclone were significantly increased compared to outside. "The large amounts of sulphur dioxide originate from combustion processes by human activities and are much higher than natural background concentrations, " says atmospheric researcher Hans Schlager of the DLR. This, i tur och ordning, means that a substantial proportion of atmospheric pollution is transported to altitudes up to 15 kilometres. Dessutom, the researchers were able to demonstrate that India represents a significant source of pollutants. It was previously assumed that much of the emissions come from China, because the monsoon's area of influence extends as far as East Asia.
"We also analysed the levels of hydroxyl radicals and found significantly higher concentrations within the anticyclone than outside it, " relates Max Planck researcher Hartwig Harder, who was present during the entire expedition. The hydroxyl molecule (OH) is better known as the atmospheric cleansing agent because it is highly reactive and efficiently oxidizes pollutants. Chemically, this has two effects:on the one hand, their solubility and thus their ability to lock on to existing airborne particles change, making them easier to wash out of the atmosphere by precipitation. Å andra sidan, the oxidized molecules can combine to form new aerosols. Because the anticyclone expands widely and disperses the particles, this effect can impact the global climate.
More atmospheric cleaners thanks to lightning
The atmospheric cleanser OH primarily forms when ozone and water are broken down by sunlight. Once the radical has reacted with pollutants, it is generally lost. Dock, if nitrogen oxides are present, it is recycled and can purify repeatedly, explains the atmospheric chemist Andreas Hofzumahaus of Forschungszentrum Jülich. Nitrogen oxides are formed not only by the combustion of diesel fuel, but also by lightning in the atmosphere. Because lightning frequently occurs during monsoon thunderstorms, the self-cleaning power at 15 kilometres altitude is maintained despite the atmospheric pollution. According to the scientists, even much more OH is recycled than is primarily formed.
Detta betyder, sedan, that the monsoon weather phenomenon not only pumps pollutants high into the atmosphere, but simultaneously provides a cleaning mechanism to remove some of those pollutants again.
This explanation was confirmed by the results of an established numerical model system, which computes the chemical processes in the atmosphere globally. Based on this model, it is possible to determine, bland annat, the concentrations of individual chemical compounds such as carbon monoxide, Svaveldioxid, kolväten, nitrogen oxides and those of the OH radical – verified based on the measurements. The OH decreases by a factor of two to three if the scientists do not take into account the nitrogen oxides produced by lightning in the model.
Because it can be assumed that pollutant emissions in the region will continue to increase in future years, the researchers headed by Jos Lelieveld are interested in how the two faces of the Janus-headed South Asian monsoon will develop in the future:Will the cleaning and transport mechanism continue to exist side by side or will they be tilted in one direction or the other?
