Det asiatiska tropopausa aerosolskiktet (ATAL) ligger på tolv till 18 kilometer höjd över Mellanöstern och Asien. Denna ansamling av aerosoler i den asiatiska monsunen upptäcktes först 2011. Dess sammansättning och effekt, dock, har hittills varit okända. Ett europeiskt konsortium av forskare har nu funnit att detta lager består av kristallint ammoniumnitrat. I AIDAs molnkammare, klimatforskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) visade hur detta ämne bildas i den övre troposfären. Resultaten redovisas i Naturgeovetenskap .

Genom att använda en smart kombination av fjärranalys, mätningar på plats, meteorologiska modellberäkningar, specifika laboratoriemätningar, och detaljerade numeriska simuleringar, teamet studerade fördelningen och sammansättningen av aerosoler i ATAL. Aerosoler är de minsta suspenderade partiklarna från en mängd olika naturliga och antropogena källor. I atmosfären, aerosoler fungerar som kondensationskärnor till vilka gasformig vattenånga fäster och, Således, bildar molndroppar. För första gången, ett forskningsflygplan flög genom de övre nivåerna av den asiatiska monsunen för att studera nyckelprocesser av global betydelse. De olika metoderna och instrumenten kompletterade varandra för att verifiera de uppmätta resultaten. Forskare från KIT, Forschungszentrum Jülich (FZJ), Johannes Gutenberg University och Max Planck Institute for Chemistry, båda i Mainz, Alfred Wegener Institute, universitetet i Wuppertal, Laboratoire de Métérologie Dynamique, Paris, och Istituto di Scienze dell"Atmosfera e del Clima, Rom, tog del.

"Förvånande, vi upptäckte kristallint ammoniumnitrat som en huvudbeståndsdel i stora delar av ATAL, " säger Dr. Michael Höpfner från Atmospheric Trace Gases and Remote Sensing Division av KIT:s Institute of Meteorology and Climate Research (IMK-ASF). De oväntade resultaten mätte, bland andra, av GLORIA-instrumentet från KIT och Forschungszentrum Jülich bekräftades sedan av klimatforskare vid KIT:s AIDA molnkammare:"Våra experiment visade att, i motsats till rådande uppfattning, flytande ammoniumnitratdroppar kristalliserar till fasta partiklar vid minus 50 grader i närvaro av små, främst svavelhaltiga föroreningar. Dessa fasta partiklar fortsätter att existera även under temperatur- och fuktighetsförhållanden i den övre troposfären, " säger Dr. Robert Wagner från Atmospheric Aerosol Research Division vid KIT:s Institute of Meteorology and Climate Research. Med satellitobservationer, forskarna fann verkligen stora mängder ammoniumnitrataerosoler ovanför Asien. Dessa observationer sträcker sig tillbaka till år 1997 när ATAL ännu inte var tänkt att existera.

"Med detta, vi har löst det mångåriga pusslet med sammansättningen av ATAL, " säger Michael Höpfner. Hittills, det har ansetts vara mycket osannolikt att denna aerosol finns på så höga höjder, eftersom den prekursiska ammoniakgasen tvättas ut ur atmosfären mycket snabbt av regn. "Men vi upptäckte oöverträffade ammoniakkoncentrationer under den asiatiska monsunen:värdena är upp till femtio gånger högre än i tidigare mätningar, Höpfner tillägger. Denna ammonium kommer huvudsakligen från jordbruket, i synnerhet från djuruppfödning och gödsling. De högsta ammoniakutsläppen finns för närvarande i Asien. Under monsunen, förorenade luftmassor transporteras från landytan till höjder på upp till 18 km. Här, ammoniak reagerar på ammoniumnitrat, en aerosol som påverkar både bildandet och egenskaperna hos moln.

"Det är nu för första gången som våra data visar att ammoniumnitrataerosoler är allestädes närvarande i den övre troposfären under den asiatiska monsunen, " säger Höpfner. Dessa resultat är särskilt relevanta för interaktionen mellan moln och aerosoler, som representerar en av de största osäkerheterna inom klimatmodellering. Dessutom, fynden visar att ammoniak som släpps ut på marken har stor inverkan på processerna i den övre troposfären och potentiellt på det asiatiska klimatet.

Spårning av ammoniak:GLORIA mätinstrument och AIDA molnkammare

Flygplanskampanjen var en del av StratoClim-projektet där 37 vetenskapliga organisationer från elva europeiska länder, USA., Bangladesh, Indien, och Nepal samarbetar under ledning av Alfred Wegener Institute, Helmholtz centrum för polar- och havsforskning. Flygplanet M55-Geophysika på hög höjd bar 25 specialutvecklade instrument till höjder över 20 km, ungefär dubbelt så hög höjd som vanligtvis nås av flygplan. Ett stort instrument ombord på Geophysika var den infraröda spektrometern GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere) som mäter höjdfördelningen av en mängd olika spårgaser längs flygvägen. Mätningar under flygningarna koncentrerades huvudsakligen på ammoniak, eftersom det till stor del är involverat i bildandet av aerosolpartiklar. GLORIA är för närvarande det enda instrumentet som kan mäta ammoniak på dessa höjder.

Baserat på data som uppmätts av satellitinstrumentet MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) av KIT:s IMK-ASF för höjdfördelning av mer än 30 spårgaser mellan 2002 och 2012, forskarna fick för första gången den globala distributionen av ammoniak och ammoniumnitrat samtidigt. för sina studier, de använde också AIDA (Aerosol Interactions and Dynamics in the Atmosphere) på KIT:s Campus North. Det är den enda anläggningen i världen, där aerosol- och klimatprocesser kan studeras under atmosfäriska förhållanden. I anläggningen, alla temperatur- och tryckförhållanden i den nedre och mellersta atmosfären kan simuleras.