Ett team av forskare från ETH Zürich har för första gången använt simuleringar på CSCS-superdatorn Piz Daint för att undersöka hur vissa åldrande mekanismer av sotpartiklar i atmosfären påverkar molnbildningen. Resultaten visar att påverkan av ozon och svavelsyra på sotåldring förändrar molnbildning och, i sista hand, klimatet.

elda ved, petroleumprodukter eller andra organiska material släpper ut sotpartiklar i atmosfären som huvudsakligen består av kol. Detta sot anses vara det näst viktigaste antropogena klimatpådrivningsmedlet efter koldioxid. I atmosfären eller som avlagringar på snö- och isytor, sotpartiklar absorberar solens kortvågiga strålning och bidrar därmed till den globala uppvärmningen.

I atmosfären, sotpartiklar har också en indirekt effekt på klimatet genom att förändra bildningen, molnens utveckling och egenskaper. En forskargrupp ledd av Ulrike Lohmann, professor vid Institutet för atmosfär och klimat vid ETH Zürich, har nu för första gången undersökt hur två specifika typer av sotpartiklar påverkar moln och, i tur och ordning, klimatet:å ena sidan, sotaerosoler som åldras på grund av ozon och, på den andra, de som åldras på grund av svavelsyra.

Sotkemin förändrar molnbildningen

"Tills nu, det antogs att dessa två typer av sotåldring hade liten effekt på molnbildning och klimat, " säger David Neubauer, vetenskaplig programmerare i Lohmanns forskargrupp. Dock, resultaten av de simuleringar som nu utförs på CSCS superdator Piz Daint målar upp en annan bild.

När sotpartiklar kombineras med ozon eller svavelsyra, deras fysikaliska och kemiska egenskaper förändras, skriver forskarna i sin studie som nyligen publicerats i tidskriften Naturgeovetenskap . Sotpartiklar åldrade av ozon bildar kondensationskärnor i lägre skikt av atmosfären, som hjälper moln att bildas. I högre skikt av atmosfären, dock, sotpartiklarna som åldras av svavelsyra fungerar som iskärnor och hjälper cirrusmoln att bildas.

Teamet simulerade hur de olika åldrande sotpartiklarna påverkar molnbildningen, och därmed klimatet, från förindustriell tid till framtiden. I dessa simuleringar, utvecklingen av aerosolpartiklarna kopplas till molnbildningens fysik i en interaktiv beräkning. Detta är komplext och kräver mer beräkningstid än konventionella klimatsimuleringar.

Forskarna gjorde tydligt definierade antaganden för sina beräkningar genom att beskriva sotpartiklarnas åldrande tillstånd, beroende på temperatur och ozonkoncentration. Båda faktorerna har en betydande inverkan på åldrandet:För att sot ska åldras snabbt genom ozon, temperaturen och ozonkoncentrationen måste vara hög. För sotets förmåga att fungera som en iskärna genom svavelsyraåldring, en låg temperatur spelar den avgörande rollen.

Förändrad molnbildning leder till uppvärmning

Simuleringar av ozonåldrat sot visar att när koldioxidhalten i atmosfären fördubblas jämfört med den förindustriella eran, färre låga moln bildas. Avsevärt fler molndroppar bildas initialt av ozonåldring av sot. Dock, deras höga koncentration leder till mer molntoppskylning vilket gör att mer torr luft blandas in ovanifrån. "Dessa moln förångas sedan snabbare, speciellt i ett varmare klimat, " förklarar Lohmann. "I ett varmare klimat, luften som blandas in har också en lägre relativ luftfuktighet". På grund av den snabbare förångningen, mindre lågt liggande moln kvarstår, och mer kortvågig strålning når jorden och värmer den.

Sotpartiklarna åldras av svavelsyra, å andra sidan, få fler iskristaller att bildas och göra cirrusmoln optiskt tjockare, dvs de är mindre genomsläppliga för strålning. De sträcker sig så långt som till tropopausen, som ligger på en höjd av 10 till 18 kilometer, och även dröja längre i högre delar av atmosfären. Som ett resultat, cirrusmoln absorberar mer av den långvågiga värmestrålningen som sänds ut av jorden och låter mindre av den fly ut i rymden. Den uppvärmande effekten av cirrusmoln ökar och förvärrar den globala uppvärmningen:När koldioxidhalten i atmosfären fördubblas jämfört med förindustriell tid, båda typerna av sotåldring tillsammans leder till en ökning av den globala uppvärmningen med 0,4 till 0,5 grader C. Som ett resultat, vattnets kretslopp kommer att accelerera ytterligare och den globala nederbörden kommer att öka ytterligare, skriver forskarna.

Framtida studier, som inkluderar aerosoler från skogsbränder, flygplans- eller bilmotorer, och kombinera fält- och laboratoriemätningar med simuleringar, skulle kunna ge en ännu tydligare bild av effekterna av sotaerosoler. De skulle också kunna bidra till att utveckla strategier för att minska utsläppen. "Detta skulle inte bara gynna klimatet och luftkvaliteten, men också människors hälsa, " betonar Neubauer.