Skogsbränder är utbredda över hela världen. De förekommer på platser där det finns växter i överflöd – som de rasande bränder som för närvarande brinner i den brasilianska Amazonas. Sådan biomassabränning (BB) kan vara en miljökatastrof.

Röken från BB-evenemang producerar stora mängder aerosolpartiklar och gaser. Dessa utsläpp kan orsaka stora problem för synlighet och hälsa, såväl som för det lokala och globala klimatet.

BB-utsläppen förväntas öka i framtiden till följd av klimatförändringarna. Tarballs, som är mikroskopiska organiska BB-partiklar, beräknas bidra med upp till 30 % av BB-aerosolmassan. Eftersom tarballs är en dominant, ljusabsorberande typ av aerosolpartikel i BB-rök, att förstå deras inverkan på klimatet är avgörande. Men detaljer om hur de bildar och påverkar klimatförändringarna har varit oklara.

Seniorforskare Kouji Adachi, arbetar för närvarande på Meteorological Research Institute i Tsukuba, Japan, var en postdoktoral forskarassistent från 2005 till 2011 med professor Peter Buseck vid Arizona State Universitys School of Molecular Sciences och School of Earth and Space Exploration.

Deras arbete uppmärksammades av kollegor från Department of Energy's Brookhaven National Lab i Upton, New York. Huvudutredare, Arthur Sedlacek III och Lawrence Kleinman, med stöd från Atmospheric Sciences Program, planerade fältkampanjen Biomass Burning Operational Period (BBOP), där ett instrumenterat flygplan skulle mäta snabba kemiska förändringar i rök från skogsbränder.

Sedlacek och Kleinman kontaktade Buseck om att delta i BBOP, eftersom provtagningsstrategin gav ett idealiskt laboratorium på himlen för att studera tarballbildning.

Resultaten, publicerad online 5 september, är i en Proceedings of the National Academy of Sciences papper med titeln "Sfäriska tarballpartiklar bildas genom snabba kemiska och fysikaliska förändringar av organiskt material i biomassa-brinnande rök."

Teamets observationer visar att tarballs bildas genom en kombination av kemiska och fysikaliska förändringar av organiska aerosoler som bildas inom de första timmarna efter rökproduktion.

"Jag är så glad att tarballs, ämnet för denna tidning, rapporterades första gången i 2003 uppsatser där en ASU kemi doktorand, Li Jia, och postdoktoral forskarassistent, Mihaly Posfai, var stora bidragsgivare; Därför hade School of Molecular Sciences och School of Earth and Space Exploration en viktig roll, sa Buseck.

Buseck, en ASU Regents Professor, tilldelas också 2019 års Roebling-medalje denna månad, den högsta utmärkelsen från Mineralogical Society of America för enastående originalforskning inom mineralogi.

"Denna studie av tarballpartiklar och de möjliga effekterna på klimatförändringar visar ytterligare bredden och mångfalden av Busecks forskning, " sa School of Earth and Space Exploration Director Meenakshi Wadhwa. "Från solid state geokemi och mineralogy, till atmosfärisk geokemi, till kosmokemi, han visar sig ständigt vara en pionjär inom sitt område."

"Peter Buseck och hans grupp har utvecklat användningen av transmissionselektronmikroskopi för att studera mineraler, meteoriter och aerosolpartiklar på ett unikt intressant sätt, sa professor Neal Woodbury, föreståndare för Institutionen för molekylära vetenskaper. "Hans teams aktuella rön om bildning av tarball är ett bra exempel och kommer att avsevärt förbättra bedömningar av biomassaförbränningseffekter på regionalt och globalt klimat."

Tarbollar som användes i denna studie samlades in från stora skogsbränder som provades under BBOP-kampanjen sommaren 2013 i nordvästra USA. Med hjälp av ett Gulfstream-1 forskningsflygplan, teamet samlade in aerosolpartiklar från skogsbränder vid upprepade flygningar genom rökplymer. former och kompositioner av mer än 10, 000 partiklar mättes med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, med detaljerad kemisk analys av tarballs utförd med skanningstransmissionsröntgenspektroskopi.

Analysen visar att andelen aerosolpartiklar som är tarballs ökar med partiklarnas ålder. Dessutom, tarball-förhållandena mellan kväve och syre i förhållande till kalium, och partikelns rundhet, ökar också med partikelåldern.

Sammanfattningsvis, BB-utsläpp inklusive tarballs förväntas öka under de kommande decennierna som ett resultat av klimatförändringarna. Denna studie avslöjar deras bildningsprocess genom kemiska och mikrofysiska analyser. Fynden kan användas för att förbättra tolkningen av BB-rök från satellitdata och markbaserade observationer genom att beakta tarballformen, viskositet och sammansättningsförändringar under åldrandet och för att ge bättre uppskattningar av deras effekter i klimatmodeller.