Nya resultat från en atmosfärisk studie över östra Nordatlanten avslöjar att små aerosolpartiklar som bildar moln kan bildas ur nästan ingenting över det öppna havet. Denna "nya partikelbildning" uppstår när solljus reagerar med molekyler av spårgaser i det marina gränsskiktet, atmosfären inom ungefär den första kilometern över jordens yta. Resultaten, publicerad i tidningen Naturkommunikation , kommer att förbättra hur aerosoler och moln representeras i modeller som beskriver jordens klimat så att forskare kan förstå hur partiklarna – och processerna som styr dem – kan ha påverkat planetens förflutna och nutid, och göra bättre förutsägelser om framtiden.

"När vi säger" ny partikelbildning, ' vi pratar om individuella gasmolekyler, ibland bara några få atomer stora, reagerar med solljus, " sa studiens medförfattare Chongai Kuang, medlem av avdelningen för miljö- och klimatvetenskap vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory. "Det är intressant att tänka på hur något av den skalan kan ha en sådan inverkan på vårt klimat - på hur mycket energi som reflekteras eller fångas i vår atmosfär, " han sa.

Men att modellera detaljerna om hur aerosolpartiklar bildas och växer, och hur vattenmolekyler kondenserar på dem för att bli molndroppar och moln, samtidigt som man tar hänsyn till hur olika aerosolegenskaper (t.ex. deras storlek, siffra, och rumslig fördelning) påverkar dessa processer är extremt komplicerat - speciellt om du inte vet var alla aerosoler kommer ifrån. Så ett team av forskare från Brookhaven och medarbetare i atmosfärisk forskning runt om i världen satte sig för att samla in data i en relativt orörd havsmiljö. I den inställningen, de förväntade sig att koncentrationen av spårgaser skulle vara låg och att molnbildningen skulle vara särskilt känslig för aerosolegenskaper - ett idealiskt "laboratorium" för att reda ut de komplexa interaktionerna.

"Detta var ett experiment som verkligen utnyttjade bred och samarbetande expertis vid Brookhaven i aerosolobservationer och molnobservationer, " sa Kuang. Tre av de ledande forskarna – huvudförfattarna Guangjie Zheng och Yang Wang, och Jian Wang, huvudutredare för kampanjen Aerosol and Cloud Experiments in the Eastern North Atlantic (ACE-ENA)—började sitt engagemang i projektet medan de arbetade på Brookhaven och har varit nära samarbetspartners med Lab sedan de flyttade till Washington University i St. Louis 2018.

Land och hav

Studien använde sig av en långsiktig markbaserad provtagningsstation på ön Graciosa på Azorerna (en skärgård 850 miles väster om kontinentala Portugal) och ett Gulfstream-1-flygplan utrustat med 55 atmosfäriska instrumentsystem för att göra mätningar på olika höjder över havet. ön och ute till havs. Både markstationen och flygplanet tillhör DOE Office of Sciences användaranläggning för Atmospheric Radiation Measurement (ARM), hanteras och drivs av ett konsortium av nio nationella DOE-laboratorier.

Teamet flög flygplanet på "tumlare-flyg, " stigande och sjunkande genom gränsskiktet för att få vertikala profiler av partiklarna och prekursorgasmolekylerna som finns på olika höjder. Och de koordinerade dessa flygningar med mätningar tagna från markstationen.

Forskarna hade inte förväntat sig att ny partikelbildning skulle ske i gränsskiktet i denna miljö eftersom de förväntade sig att koncentrationen av de kritiska prekursorspårgaserna skulle vara för låg.

"Men det fanns partiklar som vi mätte vid ytan som var större än nybildade partiklar, och vi visste bara inte var de kom ifrån, " sa Kuang.

Flygplansmätningarna gav dem sitt svar.

"Detta flygplan hade mycket specifika flygmönster under mätningskampanjen, " Sa Kuang. "De såg bevis för att ny partikelbildning ägde rum i luften - inte på ytan utan i det övre gränsskiktet." Bevisen inkluderade en kombination av förhöjda koncentrationer av små partiklar, låga koncentrationer av redan existerande aerosolyta, och tydliga tecken på att reaktiva spårgaser som dimetylsulfid transporterades vertikalt - tillsammans med atmosfäriska förhållanden som var gynnsamma för dessa gaser att reagera med solljus.

"Sedan, när dessa aerosolpartiklar bildas, de attraherar ytterligare gasmolekyler, som kondenserar och får partiklarna att växa till runt 80-90 nanometer i diameter. Dessa större partiklar transporteras sedan nedåt - och det är vad vi mäter vid ytan, " sa Kuang.

"Ytmätningarna plus flygplansmätningarna ger oss en riktigt bra rumslig känsla av de aerosolprocesser som pågår, " noterade han.

Vid en viss storlek, partiklarna växer tillräckligt stora för att dra till sig vattenånga, som kondenserar för att bilda molndroppar, och så småningom moln.

Både de enskilda aerosolpartiklarna som är suspenderade i atmosfären och molnen de i slutändan bildar kan reflektera och/eller absorbera solljus och påverka jordens temperatur, Kuang förklarade.

Studiens konsekvenser

Så nu när forskarna vet att nya aerosolpartiklar bildas över det öppna havet, vad kan de göra med den informationen?

"Vi kommer att ta denna kunskap om vad som händer och se till att denna process fångas i simuleringar av jordens klimatsystem, " sa Kuang.

En annan viktig fråga:"Om det här är en så ren miljö, var kommer då alla dessa prekursorgaser ifrån?" frågade Kuang. "Det finns några viktiga prekursorgaser som genereras av biologisk aktivitet i havet (t.ex. dimetylsulfid) som också kan leda till ny partikelbildning. Det kan vara en trevlig uppföljningsstudie till den här - att utforska dessa källor."

Förstå ödet för biogena gaser som dimetylsulfid, som är en mycket viktig källa till svavel i atmosfären, är nyckeln till att förbättra forskarnas förmåga att förutsäga hur förändringar i havsproduktiviteten kommer att påverka aerosolbildningen och, i förlängningen, klimat.