Observationer av jordens atmosfär visar att åskväder ofta är starkare i närvaro av höga koncentrationer av aerosoler – luftburna partiklar som är för små för att se med blotta ögat.

Till exempel, blixtar är vanligare längs sjöfartsrutter, där fraktfartyg släpper ut partiklar i luften, jämfört med det omgivande havet. Och de mest intensiva åskväderna i tropikerna brygger upp över land, där aerosoler förhöjs av både naturliga källor och mänskliga aktiviteter.

Medan forskare har observerat ett samband mellan aerosoler och åskväder i årtionden, orsaken till denna förening är inte väl förstådd.

Nu har MIT-forskare upptäckt en ny mekanism genom vilken aerosoler kan intensifiera åskväder i tropiska områden. Genom att använda idealiserade simuleringar av molndynamik, forskarna fann att höga koncentrationer av aerosoler kan förbättra åskvädersaktiviteten genom att öka luftfuktigheten i luften som omger molnen.

Denna nya mekanism mellan aerosoler och moln, som teamet har kallat "fuktighetsfångande"-mekanismen, skulle kunna införlivas i väder- och klimatmodeller för att hjälpa till att förutsäga hur en regions åskväderaktivitet kan variera med ändrade aerosolnivåer.

"Det är möjligt att genom att städa upp föroreningar, platser kan uppleva färre stormar, " säger Tim Cronin, biträdande professor i atmosfärsvetenskap vid MIT. "Övergripande, detta ger ett sätt att människor kan ha ett fotavtryck på klimatet som vi inte har uppskattat särskilt mycket tidigare."

Cronin och hans medförfattare Tristan Abbott, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap, har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Vetenskap .

Moln i en låda

En aerosol är varje samling av fina partiklar som är suspenderade i luft. Aerosoler genereras av antropogena processer, som förbränning av biomassa, och förbränning i fartyg, fabriker, och bilavgasrör, såväl som från naturfenomen som vulkanutbrott, havsspray, och dammstormar. I atmosfären, aerosoler kan fungera som frön för molnbildning. De suspenderade partiklarna fungerar som luftburna ytor på vilka omgivande vattenånga kan kondensera och bilda individuella droppar som hänger ihop som ett moln. Dropparna i molnet kan kollidera och smälta samman för att bilda större droppar som så småningom faller ut som regn.

Men när aerosoler är mycket koncentrerade, de många små partiklarna bildar lika små molndroppar som inte lätt smälter samman. Exakt hur dessa aerosolfyllda moln genererar åskväder är en öppen fråga, även om forskare har föreslagit flera möjligheter, som Cronin och Abbott bestämde sig för att testa i högupplösta simuleringar av moln.

För deras simuleringar, de använde en idealiserad modell, som simulerar dynamiken hos moln i en volym som representerar jordens atmosfär över en 128 kilometer bred kvadrat av tropiskt hav. Lådan är uppdelad i ett rutnät, och forskare kan observera hur parametrar som relativ fuktighet förändras i enskilda rutnätsceller när de ställer in vissa förhållanden i modellen.

I deras fall, teamet körde simuleringar av moln och representerade effekterna av ökade aerosolkoncentrationer genom att öka koncentrationen av vattendroppar i molnen. De undertryckte sedan de processer som troddes driva två tidigare föreslagna mekanismer, för att se om åskväder fortfarande ökade när de höjde aerosolkoncentrationerna.

När dessa processer stängdes av, simuleringen genererade fortfarande mer intensiva åskväder med högre aerosolkoncentrationer.

"Det sa att dessa två tidigare föreslagna idéer inte var det som skapade förändringar i konvektion i våra simuleringar, " säger Abbott.

Med andra ord, någon annan mekanism måste fungera.

Körande stormar

Teamet grävde igenom litteraturen om molndynamik och hittade tidigare arbete som pekade på ett samband mellan molntemperatur och luftfuktigheten i den omgivande luften. Dessa studier visade att när molnen stiger blandas de med den klara luften runt dem, avdunstar en del av deras fukt och som ett resultat kyler molnen själva.

Om den omgivande luften är torr, det kan suga upp mer av ett molns fukt och sänka dess inre temperatur, så att molnet, laddad med kall luft, är långsammare att stiga genom atmosfären. Å andra sidan, om den omgivande luften är relativt fuktig, molnet blir varmare när det avdunstar och stiger snabbare, genererar en uppgång som kan snurra upp till ett åskväder.

Cronin och Abbott undrade om den här mekanismen kan ha betydelse för aerosolers effekt på åskväder. Om ett moln innehåller många aerosolpartiklar som dämpar regn, det kanske kan avdunsta mer vatten till omgivningen. I tur och ordning, detta kan öka luftfuktigheten i den omgivande luften, ger en mer gynnsam miljö för bildandet av åskväder. Denna kedja av händelser, därför, skulle kunna förklara aerosolers koppling till åskvädersaktivitet.

De satte sin idé på prov med samma simulering av molndynamik, den här gången noterade temperaturen och den relativa fuktigheten för varje rutnätscell i och runt moln när de ökade aerosolkoncentrationen i simuleringen. Koncentrationerna de satte varierade från låga aerosolförhållanden liknande avlägsna regioner över havet, till högaerosolmiljöer som liknar relativt förorenad luft nära tätorter.

De fann att lågt liggande moln med höga aerosolkoncentrationer var mindre benägna att regna ut. Istället, dessa moln förångade vatten till sin omgivning, skapa ett fuktigt lager av luft som gjorde det lättare för luft att snabbt stiga genom atmosfären som stark, stormbryggande uppströmmar.

"Efter att du har etablerat detta fuktiga lager relativt lågt i atmosfären, du har en bubbla av varm och fuktig luft som kan fungera som ett frö för ett åskväder, " säger Abbott. "Den bubblan kommer att ha lättare att ta sig upp till höjder på 10 till 15 kilometer, vilket är det djup som molnen behöver växa till för att fungera som åskväder."

Denna "fuktighetsfångande" mekanism, där aerosolfyllda moln blandas med och ändrar fuktigheten i den omgivande luften, verkar vara åtminstone en förklaring till hur aerosoler driver bildandet av åskväder, särskilt i tropiska områden där luften i allmänhet är relativt fuktig.

"Vi har tillhandahållit en ny mekanism som borde ge dig en anledning att förutsäga starkare åskväder i delar av världen med massor av aerosoler, " säger Abbott.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.