Rök från de många skogsbränder som brinner i väst har gjort luftkvaliteten farlig för miljontals människor i USA. Och det är den allra minsta av aerosolpartiklarna i den luften som gör den särskilt skadlig för människors hälsa. Men i decennier, vi har inte vetat hur länge dessa partiklar faktiskt stannar uppe.

Ny forskning av forskare från Colorado State University ger oss en mycket bättre förståelse för denna process, som inte bara kan hjälpa till med luftkvalitetsprognoser, men också inom global klimatmodellering.

Aerosolpartiklar, oavsett om det kommer från brandrök eller bilavgaser, spelar en stor roll för hur mycket värme som absorberas eller avleds av atmosfären. Dock, vi har inte helt förstått hur snabbt dessa små partiklar drogs ut ur luften – särskilt i frånvaro av fukt. Detta har lagt till betydande osäkerhet till redan komplexa klimatmodeller.

Delphine Farmer, en docent vid Institutionen för kemi vid CSU College of Natural Sciences, visste att det var dags att vi kunde göra det bättre.

Farmer och hennes kollegor meddelade nyligen att de har kunnat upptäcka, i verkliga miljöer – från skogar till gräsmarker – den hastighet med vilken dessa viktiga partiklar faktiskt lämnar atmosfären. Deras resultat dök upp online veckan den 5 oktober i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Detta arbete belyser verkligen vikten och kraften i fältmätningar, ", sa Farmer. "Vi kan direkt använda observationer från fältstudier för att minska osäkerheterna i klimatmodeller, och att förbättra vår förståelse för klimatrelevanta processer."

Nollställer osäkerheten

Aerosolpartiklar faller ut ur luften på två huvudsakliga sätt. Den första och vanligaste är känd som "våt" deponering, när fukt plockar upp dem ur luften, antingen genom molnbildning, snö, eller nederbörd. Forskare har haft ett ganska bra grepp om denna kraft, som står för cirka 80 % av aerosoleffekten i atmosfären.

Men den andra kraften, "torr" avsättning, har varit mycket mer mystiskt, även om det spelar en inte obetydlig roll globalt. Eftersom aerosoler är så små (mätt i nanometer och mikron) faller de inte bara ner på grund av gravitationen. De kan svamla med i luftströmmar under lång tid. Hur länge, dock, har varit frågan.

"När en partikel släpps ut i atmosfären, hur lång tid det hänger i luften beror på dessa borttagningsprocesser, ", sa bonden. Detta är avgörande, hon förklarade, eftersom "ju längre en partikel hänger i atmosfären, desto större möjlighet har den att resa längre, eller gör moln, eller påverka människors hälsa. Så att få bort borttagningsprocessen rätt är viktigt för att förutsäga partikelkoncentrationer - och deras effekter."

Tidiga resultat från teoretiska beräkningar på 1970- och 80-talen, och råare mätningar utförda på släta ytor runt 2000, har matats in i klimatmodeller i decennier.

Det är här Farmer, som har gjort en forskarkarriär med att spåra atmosfärisk kemi med högupplösta instrument, såg en möjlighet till förbättring.

Förbättrade klimatmodeller – och människors hälsa

Farmer och hennes kollegor visste att, självklart, markytan – och till och med havet – är inte helt slät. Så de ville se vad som faktiskt hände med dessa partiklar i den verkliga världen.

Särskilt, de tittade på krafterna bortom gravitationen som drev dessa aerosolers resor. "För de små, klimat- och hälsorelevanta partiklar, turbulens i atmosfären för ner partiklar till ytor och gör att dessa partiklar kan fastna, sa bonden.

Och på grund av det här, dessa små partiklar har inte en rak väg till en yta – särskilt i en komplex ytmiljö som en skog. Farmer förklarade det som att varje mikroskopisk aerosolpartikel kör sin egen handske, "typ som American Ninja Warrior, där partikeln måste undvika att träffa olika hinder för att stanna i atmosfären. Och varje handske är särskilt utmanande för olika storlekar av partiklar."

För att se hur det gick för dessa partiklar av olika storlek i den här hinderbanan, forskarna använde en aerosolspektrometer med ultrahög känslighet, som använder en laser för att räkna partiklar. De satte upp mätstationer i en tallskog i Manitou Experimental Forest i Colorado, och i gräsmarker i södra Great Plains i Oklahoma, för att fånga verkliga data om dessa partiklar när de så småningom landade.

"Vi mätte hur snabbt olika partiklar kör denna handske, Farmer förklarade. "Sedan använde vi dessa mätningar för att ta reda på vilken del av handsken som bromsade olika partiklar."

De fann ett mycket snävare intervall av livstider för dessa viktiga partiklar än vad som föreslagits av tidigare modellering. Faktiskt, de gamla förutsägelserna räknade med ett snabbare avlägsnande av de mycket små partiklarna (de mindre än 100 mikron) och ett långsammare avlägsnande av de större partiklarna (de större än 400 mikron).

"Detta betyder att vi kan ha underskattat den indirekta effekten av aerosol i modeller, Farmer sa. "Den goda nyheten är att vi har överskattat osäkerheten - vi känner nu till partikelförlusten bättre."

De nya rönen kan appliceras på alla möjliga ojämna ytor, från skogar till gräsmarker till jordbruksområden till och med hackiga hav.

Mer aerosoleffekter över land

När de integrerar sina resultat i modeller av aerosoleffekter globalt, Farmer och hennes medförfattare förutspår att det kommer att bli mer aerosoleffekt än vad som tidigare antagits över vissa landområden, inklusive delar av Nordamerika, Europa, Asien, Sydamerika, Australien, och Afrika söder om Sahara – och en sänkning av aerosoleffekten över hav.

"Det visar sig att partiklarnas kapplöpning att sedimentera på en yta är ganska viktig för att förutsäga strålningseffekter" och hur det framtida klimatet kan se ut, sa bonden.

Deras nya data tyder också på att vi har underskattat mängden aerosoler i luften som är mest skadliga för människors hälsa, de som är mindre än 2,5 nanometer (även känd som PM2,5), vilka är, till exempel, den mest farliga delen av brandrök.

"Our revised [number] increases surface PM2.5 concentrations by 11% globally and 6.5% over land, " Farmer and her collaborators wrote in their new paper. Which is important to know because "exposure to PM2.5 is linked to respiratory and cardiovascular diseases."

Coauthors on the study included Jeffery Pierce, an associate professor in the Department of Atmospheric Sciences in the Walter Scott, Jr. College of Engineering, and Kelsey Bilsback, a postdoctoral researcher there; as well as doctoral researchers in the Department of Chemistry Ethan Emerson, Anna Hodshire, and Holly DeBolt; and Gavin McMeeking from the Handix Scientific company in Boulder.

This important work also demonstrates just how advanced—and impactful—field measurement technologies are becoming.

"Till mig, the most exciting aspect of this work is that we are able to take real-world measurements over a forest and a grassland site and use them to directly improve our understanding of the climate system, " Farmer said.