Partiklar som virvlar runt i vår atmosfär bidrar till klimatförändringarna, men mycket om hur de interagerar med solljus och påverkar sådd av moln är fortfarande förbryllande. Studier lyfter locket på hur dessa små partiklar påverkar något så stort som klimatet genom att analysera dem från jetflygplan, satelliter och markmätningar.

Den främsta orsaken till klimatförändringarna är stigande halter av koldioxid i atmosfären. Denna ökning har skett sedan starten av den industriella revolutionen och vi vet nu mycket om hur denna gas beter sig, fångar upp värme och värmer jorden.

Ett mycket mer mystiskt inflytande på klimatet kommer från partiklar - eller aerosoler - som hänger i luften. Särskilt viktigt är svart kol, sotet försvinner från brinnande växtlighet och trafikångor. Dessa svarta saker rankas som den näst största bidragsgivaren till klimatförändringar. Men det skiljer sig mycket från koldioxid.

"Medan koldioxid stannar i luften i hundratals år, svart kol lever i bara några veckor i atmosfären, "förklarade professor Bernadett Weinzierl, atmosfär och aerosolvetare vid universitetet i Wien, Österrike.

Koldioxid är en gas som blandas så bra att dess koncentrationer är i stort sett desamma över Neapel som över Hawaii. Å andra sidan, mängden och typen av aerosolpartiklar i atmosfären varierar beroende på var du tittar.

Effekten av partikeltyper skiljer sig också åt. Svart kol absorberar värme och får luften att värmas. Mineraldamm absorberar ljus, men inte lika starkt. Några andra partiklar reflekterar ljus bort från jorden. Forskare måste genomföra en bokföringsövning, räkna ut hur mycket partiklar värmer jorden, subtrahera hur mycket andra kyler vår planet.

Komplicerar bilden, partiklar fröer vattendropparna som så småningom utgör moln. Typerna av partiklar påverkar egenskaperna hos dessa moln.

Föroreningar

Prof. Weinzierl spårar konstgjorda föroreningar och naturliga partiklar som damm från öknar i atmosfären i ett projekt som kallas A-LIFE.

För att prova på vad som flyter runt i våra himlar, projektforskare flög tvåmotoriga Dassault Falcon 20 från German Aerospace Center (DLR) i östra Medelhavet. Under 22 flygningar, flygplanet tog in luft för att analysera partiklarna som virvlade över och runt Cypern 2017.

Östra Medelhavet är en idealisk plats, eftersom den innehåller sot från förbränning av biomassa, damm från Saharaöknen och från Arabiska öknen och sulfater och svart kol från trafik och industrirök. Flygplanet flög så lågt som 300 meter och så högt som 12 km. Det använde också lasrar för att spåra partiklar i luften.

Professor Weinzierl observerade att när mycket damm fanns, även lokala väderprognoser tenderade att vara mindre exakta. Liknande, sådana partiklar kan dimma förutsägelser om klimatet.

Den österrikiska professorn deltog också i ett experiment med ett NASA -forskningsflygplan som flög från Nordpolen ner till mitten av Stilla havet, till Antarktis ytterkant och backa upp Atlanten. Detta uppdrag gjorde det möjligt för henne att jämföra partikelcocktails i orörd himmel på avstånd från mänskligt inflytande, med dem i den mycket förorenade himlen över östra Medelhavet.

Prof. Weinzierl hittade fler stora partiklar, såsom mineraldamm, hög i atmosfären än vad som hade förutsetts. Även i regioner på norra halvklotet, väldigt långt ifrån källor, 10 till 20 mikron partiklar hittades regelbundet i luften, säger prof. Weinzierl. Människohår mäter 100 mikron tvärs över, för jämförelse, medan svart kol består av partiklar som är mindre än en mikron tvärs över.

Å andra sidan, det fanns mindre svart kol närvarande än professorn förväntade sig högt i atmosfären. "Vi finner att modeller har mer svart kol i den övre troposfären än vi hittar i naturen, "sa hon." Då blir det mindre uppvärmning, än modellerna skulle förutsäga, från svart kol. "

En förklaring kan vara att mer svart kol tvättas ur atmosfären av regn än modellerna förutspår.

Moln

Aerosolpartiklar är kritiska för molnbildning, och olika typer påverkar hur molnen kommer att bete sig.

"Varje molndroppe bildas normalt på en aerosolpartikel, eftersom moln inte kan bildas från rent vatten under atmosfäriska förhållanden, "sa Philip Stier, professor i atmosfärisk fysik vid University of Oxford, i UK. Molndroppar kan starta kring molekyler som växter släpper ut, svavelhaltiga föreningar som sprutas från vulkaner eller sot från fordonsrör, och mer.

Men vetenskapen om aerosoler och molnbildning är förvirrande - och aerosolegenskaper är viktiga. "Du måste veta om deras storlek, om deras sammansättning och hur de blandas ihop, "sade professor Stier. Till exempel, flytande havssalt absorberar snabbt fukt, medan rent svart kol tenderar att stöta bort vatten.

Molnen själva kommer då att skilja sig åt beroende på hur de såddes. "Ett moln i ett förorenat område kommer i allmänhet att börja från fler aerosoler och så bildas fler droppar, "sade professor Stier. I slutet kommer ett moln som bildas runt små konstgjorda partiklar vanligtvis att ha mer vatten, mindre droppar.

Moln byggda runt salt eller ökenstoft innehåller i allmänhet färre droppar, men varje droppe - liksom partiklarna de bildar runt - är större. "Om luften är mycket ren, då börjar molndroppar ofta mycket större, och dessa moln kan regna ut väldigt lätt, "tillade professor Stier." Men den verkliga frågan är hur aerosoler påverkar nederbörd på större skalor. "

Moln med förorenande aerosoler innehåller fler vattendroppar och ser ljusare ut. Detta reflekterar ljus, kyler atmosfären. "Det kan också vara så att sådana moln lever längre, "sade professor Stier, 'men dessa effekter är fortfarande osäkra. "

Aerosolpartiklar och moln introducerar osäkerheter i klimatprognoser. Deras komplexitet och svårigheter när det gäller beräkningar innebär att forskare fortfarande kämpar för att förstå moln i mikroskopiska skalor och i stora skalor. Men framsteg görs.

Professor Stier studerade hur aerosoler påverkar konvektiva moln som en del av ACCLAIM -projektet. Konvektiva moln bildas när varm luft stiger och inkluderar de fluffiga cumulusmolnen du kan se en sommardag. De är dåligt representerade i klimatmodeller, säger professor Stier, men nya stationära satelliter hjälper till att bättre spåra dem.

Värme

Professor Stier undersöker nu hur aerosolpartiklar i vår himmel påverkar nederbörd i ett projekt som heter RECAP. Han studerar atmosfärens energibalans i små vågar och över vidsträckta molnfält. Till exempel, när det regnar, latent värme släpps ut i atmosfären.

Atmosfärens energibalans varierar. "I tropikerna, vi får faktiskt en lokal förbättring av nederbörd (orsakad av absorberande aerosoler, som svart kol), "Professor Stier förklarade, 'men på mitten av breddgraderna, där jordens rotation utövar en starkare effekt och det inte är så lätt att leda bort energi, vi får en mycket kraftig minskning av nederbörden. "

Artificiell intelligens används av prof Stier för att knäcka och förstå massor av data som samlas in om partiklarnas rörelse och effekter på moln och nederbörd.

Under tiden, Prof Weinzierls grupp fortsätter att analysera A-LIFE-data. Den österrikiska gruppen utvecklade nya metoder, inklusive en smart molnalgoritm för ATom -flygningarna. "Den tittar på data och säger sedan om du befinner dig i eller utanför ett moln, "Prof. Weinzierl sa, och "om typen av moln."

Upptäckter har hopat sig. Professor Weinzierl bekräftade att livslängden för svart kol i den höga atmosfären är kortare än vad som antagits i klimatstudier.

Också, hennes grupp bidrog till upptäckten att en naturlig svavelförening är viktig för att starta molnbildning i marin atmosfär. De hjälpte också till att avslöja att nybildade partiklar hög i atmosfären över tropikerna hjälper till att fröa moln när de koagulerar och sjunker i atmosfären.

Att förstå hur partiklar påverkar moln - och i slutändan klimatet - har varit ett stort hinder för forskare. Men det är ett hinder de övervinner genom bättre mätningar av partiklar och en bättre förståelse för deras interaktioner och påverkan på moln och klimat.