För första gången, ett internationellt forskarlag ledd av Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) har undersökt atmosfäriska iskärnbildande partiklar (INP) i iskärnor, som kan ge insikter om typen av molntäcke i Arktis under de senaste 500 åren. Dessa INP spelar en viktig roll vid isbildning i moln, och därmed ha stor påverkan på klimatet. Än så länge, dock, det finns bara ett fåtal mätningar som går tillbaka bara några decennier. Den nya metoden skulle kunna ge information om historiska moln från klimatarkiv och därmed täppa till stora kunskapsluckor inom klimatforskningen.

Teamet från TROPOS, Köpenhamns universitet, skriver universitetet i Bern och Paul Scherrer-institutet i tidskriften Geofysiska forskningsbrev att fynd om variationer i koncentrationerna av iskärnande partiklar i atmosfären under århundraden skulle hjälpa klimatforskare att bättre förstå framtida klimatförändringar.

Klimatarkiv är viktiga för att rekonstruera det förflutna klimatet och göra uttalanden om klimatets utveckling i framtiden. I Europa, vädret har bara observerats och registrerats regelbundet i cirka 300 år. För tiden före och för platser utan väderstation, dock, forskning är beroende av slutsatser från naturarkiv. Paleoklimatforskning använder en mängd olika naturliga arkiv såsom trädringar, iskärnor eller sediment.

Under de senaste decennierna, ett antal metoder har utvecklats och förfinats som använder indirekta indikatorer (klimatproxy) för att dra slutsatser om klimatfaktorer som temperatur, nederbörd, vulkanutbrott och solaktivitet. Moln ansvarar för nederbörd, bland annat, men de är väldigt svårfångade och därför svåra att studera. Men antalet, typ och omfattning av moln och deras isinnehåll har stor inverkan på atmosfärens strålningsbudget, temperaturen på marken och nederbörden, och information om parametrar som påverkar moln är därför viktig för klimatåteruppbyggnaden.

En metod för att förbättra vår kunskap om moln och deras roll i klimathistorien presenteras nu av en internationell forskargrupp från Tyskland, Danmark och Schweiz. Enligt dem, teamet har rekonstruerat koncentrationerna av iskärnbildande partiklar (INP) från iskärnor för första gången. Dessa mätningar kan användas för att rekonstruera molntäcke i framtiden.

"Isbildning i moln med blandade faser orsakas huvudsakligen av heterogen isbildning, dvs INP är nödvändiga för att stimulera frysningen av underkylda molndroppar. Antalet och typen av dessa partiklar påverkar därför nederbörden, molnens livslängd och strålningsegenskaper. I laboratoriet, vi kunde visa att två typer av partiklar är särskilt lämpliga för detta ändamål:Mineraldamm från marken samt olika biologiska partiklar som bakterier, svampsporer eller pollen, "förklarar Dr Frank Stratmann, chef för Clouds Working Group på TROPOS.

Iskärnor används ofta för att rekonstruera olika klimatparametrar som temperatur, nederbörd eller vulkanutbrott under tusentals år. För den nu publicerade studien, teamet kunde dra på delar av två iskärnor från Arktis:Kärnan Lomo09 borrades på Lomonosovfonna-glaciären på Svalbard på 1200 meters höjd 2009. Iskärnan EUROCORE extraherades 1989 från toppen av Grönlands inlandsis på över 3000 meters höjd.

De frysta proverna av dessa kärnor skickades till Leipzig, där de undersöktes för INP. Små prover av isen smältes och smältvattnet delades upp i många små droppar på en och 50 mikroliter. Dessa droppar placerades i två experimentuppställningar, var och en med nästan 100 små tråg, och kyldes sedan ned på ett kontrollerat sätt. Dessa inställningar har tidigare använts i andra studier:Leipzig Ice Nucleation Array (LINA) och Ice Nucleation Droplet Array (INDA) är instrument där dropparna kyls på ett kontrollerat sätt. Genom ett glasfönster, forskare kan observera vid vilken temperatur hur många droppar som fryser. Antalet frusna droppar omvandlas sedan till koncentrationen av iskärnbildande partiklar. "2015, Amerikanska forskare härledde atmosfäriska INP -koncentrationer från snö och nederbörd. Det som fungerar för nederbörd bör också fungera för isprover var vårt tillvägagångssätt. Och så var vi de första att visa att historiska iskärnkoncentrationer också kan utvinnas från iskärnorna, " säger Markus Hartmann från TROPOS, som utförde undersökningarna som en del av sin doktorsavhandling.

Detta öppnar nya möjligheter för paleoklimatforskning. Sedan 1930-talet, otaliga iskärnor har utvunnits från glaciärer över hela världen och det förflutnas klimat har rekonstruerats. Informationen om molnfasen (dvs. om den innehåller is eller flytande vatten) var inte tillgänglig. Polar- och atmosfärsforskarnas studie är ett första steg i denna riktning. Eftersom laget inte hade en kontinuerlig iskärna tillgänglig, den kunde bara rekonstruera de iskärnande partiklarna från enskilda år av perioden 1735 till 1989 på Grönland och 1480 till 1949 på Svalbard. Övergripande, det fanns ingen trend i de iskärnbildande partiklarna under det senaste halva millenniet. "Dock, Arktis har bara värmts upp dramatiskt i cirka 25 år. Isen som analyseras nu bildades innan denna kraftiga uppvärmning började. Både mätningar av en kontinuerlig iskärna och av nyare is vore därför önskvärda, "tillägger Markus Hartmann.

Att mänskligheten har orsakat den globala uppvärmningen genom utsläpp är ostridigt bland forskare. Dock, det är oklart hur mycket molnen i atmosfären har förändrats till följd av detta. Forskare hoppas därför också få viktiga insikter från undersökningar av iskärnbildande partiklar i luften. Hösten/vintern 2016, ett team från universitetet i Beijing, TROPOS, Göteborgs universitet och den kinesiska vetenskapsakademin, mätte koncentrationerna av iskärnbildande partiklar i luften i den kinesiska huvudstaden Peking. Dock, de kunde inte bevisa något samband med den höga nivån av luftföroreningar där.

"Vi antar därför att de isbildande partiklarna i Peking härstammar mer från naturliga källor, som dammstormar eller biosfären, som båda är kända som källor till iskärnbildande partiklar, än från antropogena förbränningsprocesser, " säger Dr Heike Wex från TROPOS. Men det här är en ögonblicksbild av en plats och människans indirekta inflytande bör inte glömmas bort:Förändringar i markanvändning eller torka har en inverkan på damm i atmosfären och på biosfären, vilket i sin tur kan leda till förändringar i molnen." För att bättre förstå mänsklighetens effekter på atmosfären, molnforskare mäter både på hotspots för luftföroreningar som metropolerna i tillväxtländerna och i jämförelsevis rena regioner som polarområdena.

Än så länge, relativt lite är känt om mängden, egenskaper och källor för iskärnbildande partiklar i Arktis, även om de är en viktig faktor för molnbildning och därmed för klimatet där. Långa tidsserier med månatlig eller veckovis tidsupplösning är praktiskt taget obefintlig, men avgörande för att undersöka säsongseffekter. I journalen Atmosfärskemi och fysik , en Open Access-tidskrift från European Geosciences Union (EGU), ett internationellt team, också ledd av TROPOS, publicerade nyligen en översikt över säsongsvariationerna i iskärnkoncentrationer i Arktis. Prover från fyra forskningsstationer i Arktis från 2012/2013 och 2015/2016 undersöktes i Leipzig Cloud Laboratory of TROPOS:Alert i Kanada, Ny-Ålesund på Spetsbergen (Norge), Utqiagvik (Barrow) i Alaska (USA) och Villum (Station Nord) på Grönland (Danmark).

"Detta ger oss en överblick över variationerna mellan årstiderna:Mest förekommande är iskärnande partiklar i luften från slutet av våren till början av hösten, de minsta finns på vintern och i början av våren. Detta påverkar hur typen av molntäcke i Arktis förändras under året och därmed molnens inverkan på den arktiska uppvärmningen, " förklarar Heike Wex. Forskare hoppas att studierna kommer att leda till bättre förutsägelser om klimatförändringar, eftersom klimatmodeller för närvarande inte kan återspegla uppvärmningen av Arktis, vilket kommer att leda till osäkerheter som sträcker sig från stigande havsnivåer till regionala klimatförändringar i Europa.

De komplexa återkopplingsprocesserna mellan biosfär och klimat kommer också att vara en del av MOSAiC -expeditionen:I september 2019, den tyska forskningsisbrytaren Polarstern, ledd av Alfred Wegener Institute (AWI), kommer att driva genom Ishavet i ett år. Levereras av ytterligare isbrytare och flygplan, totalt 600 personer från 17 länder kommer att delta i MOSAiC-expeditionen. Tillsammans med en internationell partner, AWI ansvarar för de fem huvudsakliga forskningsområdena:havsisfysik och snötäcke, processer i atmosfären och i havet, biogeokemiska kretslopp och det arktiska ekosystemet. TROPOS kommer att spela en ledande roll i två centrala mätningar:För det första, en fjärravkänningsbehållare för hela isdriften kommer kontinuerligt att utforska den vertikala aerosolen och molnfördelningen med hjälp av lidar, radar och mikrovågsradiometrar. Å andra sidan, en bunden ballong mäter det arktiska gränsskiktet så exakt som möjligt under en flygsektion. Båda mätningarna möjliggör mer eller mindre direkt detektering av den vertikala fördelningen av de iskärnbildande partiklarna. Dessutom, TROPOS kommer återigen att undersöka ytmikroskiktet i havet och smältdammar, som sannolikt kommer att vara en viktig källa till iskärnbildande partiklar i Arktis.

Sedan 2016 har det tyska forskningsstiftelsens (DFG) Collaborative Research Center TR172 "Arctic Amplification" har undersökt orsakerna till att Arktis värms upp mycket mer än resten av jorden. Förutom universitetet i Leipzig, forskningsnätverket omfattar också universiteten i Bremen och Köln, Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) och Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) i Leipzig. Tilo Arnhold