Svarta kolpartiklar - mer allmänt kända som sot - absorberar värme i atmosfären. I åratal, forskare har känt till att dessa partiklar påverkar jordens uppvärmning klimat, men att mäta deras exakta effekt har visat sig gäckande.

Forskare vid Michigan Technological University och Brookhaven National Laboratory, tillsammans med partners vid andra universitet, industri, och nationella laboratorier, har fastställt att även om formen på partiklar som innehåller svart kol har viss effekt på atmosfärisk uppvärmning, det är viktigt att ta hänsyn till de strukturella skillnaderna i sotpartiklar, samt hur partiklarna interagerar med andra organiska och oorganiska material som täcker svart kol när det färdas genom atmosfären.

Publicerad idag i Förfaranden från National Academy of Sciences , artikeln tillhandahåller ett ramverk som förenar modellsimuleringar med laboratorie- och empiriska observationer, och det kan användas för att förbättra uppskattningarna av svart kol påverkan på klimatet.

Varje svart kolpartikel är unik

Svart kols absorption av solstrålning är jämförbar med den för koldioxid. Men svart kol förblir bara i atmosfären i dagar till veckor, medan koldioxid kan förbli i atmosfären i hundratals år.

Forskare i åratal har uppskattat svarta kolpartiklar som sfäriskt formade i modeller som ofta blev belagda med andra organiska material. Tanken var att när sotpartiklarna rör sig genom atmosfären, beläggningen hade en så kallad "linseffekt"; pälsen fokuserar ljust ner på det svarta kolet, orsakar ökad strålningsabsorption. Och medan sotpartiklar verkligen är belagda i organiska material, att beläggningen inte är enhetlig från partikel till partikel.

"När du tar en bild under mikroskopet, partiklarna ser aldrig perfekt ut som en sfär med samma beläggning, sa Claudio Mazzoleni, professor i fysik vid Michigan Tech och en av artikelns medförfattare. "Om du gör en numerisk beräkning om perfekta sfärer belagda med ett skal, en modell kommer att visa en förbättrad absorption av de svarta kolpartiklarna med en faktor på upp till tre."

Empiriska studier av svarta kolpartiklar visar att absorption är mycket mindre än modellerna skulle föreslå, att ifrågasätta modellens effektivitet såväl som vår förståelse av svart kols klimatpåverkande effekt.

Forskning tyder på att beläggningen av det organiska materialet inte är helt sfärisk; beroende på hur de organiska materialen håller fast vid en svart kolpartikel, den resulterande formen kan få partikeln att verka mycket annorlunda även om den har samma mängd material som en annan sotpartikel som är annorlunda formad. Men ännu viktigare är att mängden beläggning kan variera från partikel till partikel. Dessa två attribut minskar båda den förväntade absorptionsförbättringen.

Laura Fierce, en associerad atmosfärsforskare vid Brookhaven National Laboratory, tillämpade den partikelupplösta modellen för att ta hänsyn till partikel heterogenitet medan man modellerade svart kol.

"Medan de flesta aerosolmodeller förenklar representationen av partikelsammansättning, den partikelupplösta modellen spårar sammansättningen av enskilda partiklar när de utvecklas i atmosfären, "Fierce sa." Denna modell är unikt lämpad för att utvärdera fel som härrör från vanliga approximationer som tillämpas i aerosolmodeller i global skala. "

Mindre effekt på klimatuppvärmningen än vi trodde

Väsentligen, forskarna har introducerat mångfalden av organisk och oorganisk beläggning på partiklar och den olikformiga naturen hos själva partiklarna i klimatmodellering. Genom att kombinera en empirisk modell med laboratoriemätningar, modellen förutspådde en mycket lägre förbättring av absorptionen av svart kol än tidigare trott. Den uppdaterade modelleringen för också modellens utdata mycket närmare det som uppmättes i fält.

"Folk tror att svart kol har en mycket stark uppvärmningseffekt på atmosfären, som beror på absorption, " sa Mazzoleni. "Om du har större absorption, det bidrar till uppvärmningen och har större klimatpåverkan. För att förstå hur mycket svart kol som bidrar till uppvärmningen av klimatet, vi måste förstå dessa detaljer eftersom de kan göra skillnad."

Denna forskning ger en väg framåt för att förbättra förutsägelser om svart kolets strålande effekt på klimatet. Att minska svarta koldioxidutsläpp i atmosfären kan bidra till att minska några av effekterna av klimatförändringar. Resultaten av denna studie tyder på att en partikels absorption per massa är lägre än man tidigare trott, men hur mycket svart kol som tvingar upp atmosfärisk uppvärmning beror också på utsläppsnivåer, interaktioner med moln och avståndet en partikel färdas. Och samtidigt som det är betydande att minska sotutsläppen, Att minska koldioxid i atmosfären är fortfarande av yttersta vikt.