När frekvensen och storleken på skogsbränder fortsätter att öka över hela världen, ny forskning från forskare från Carnegie Mellon University visar hur den kemiska åldrandet av partiklarna som släpps ut av dessa bränder kan leda till mer omfattande molnbildning och intensiv stormutveckling i atmosfären. Forskningen publicerades online idag i tidskriften Vetenskapens framsteg .

"Införandet av stora mängder isbildande partiklar från dessa bränder kan orsaka betydande effekter på molnens mikrofysik, om underkylda molndroppar fryser eller förblir flytande, och molnens benägenhet att fälla ut, sa Ryan Sullivan, docent i kemi och maskinteknik. Att förstå dessa effekter är en nyckelfaktor för att noggrant modellera jordens klimat och hur det kan fortsätta att förändras.

Bygger på forskning Sullivans team i Center for Atmospheric Particle Studies som publicerades förra året, författarna samlade en mängd olika växtmaterial, brände dem och analyserade partiklarna som släpptes ut i röken. Särskilt, teamet var intresserade av iskärnbildande partiklar, sällsynta typer av partiklar som kan katalysera iskristallbildning i atmosfären vid högre temperaturer än vanligt och därmed i hög grad påverka klimatprocesser, inklusive molnbildning och om ett moln faller ut eller inte. Faktiskt, den mesta nederbörden över land börjar från ishaltiga moln.

Även om det redan var allmänt känt att partiklar som nyligen släpps ut vid förbränning av biomassa - som höga gräs, buskar, och träd – kan påverka iskärnningen kraftigt, Sullivans team var intresserade av att ta reda på effekterna av dessa partiklar när de reste i dagar och veckor i atmosfären och upplevde kemisk åldrande. Med en specialiserad kammarreaktor, masspektrometrar, elektronmikroskopi, och en innovativ mikrofluidisk droppfrysningsteknik, forskarna analyserade partiklarna som släpps ut vid förbränning av olika typer av växtmaterial som sker vid skogsbränder och föreskrivna brännskador, och simulerade åldringsprocesserna som dessa partiklar skulle genomgå i atmosfären.

Ett diagram som visar de olika åldringsprocesserna för biomassaförbränning av aerosol i atmosfären.

Vanligtvis, iskärnbildande partiklar förlorar sin styrka när de åldras i atmosfären, men i denna studie, forskarna fann att iskärnbildningsförmågan hos partiklar som släpps ut av förbränning av biomassa faktiskt ökade när de upplevde simulerat atmosfäriskt åldrande. Detta representerar en helt annan ram för att överväga hur de klimatpåtvingande egenskaperna hos en stor episodisk källa av partiklar utvecklas i atmosfären.

"Detta beror på att atmosfäriskt åldrande driver förlusten av partikelbeläggningar som initialt finns på rökpartiklarna som döljer de isaktiva ytplatserna, ", förklarade Sullivan. "Dessa platser är de mineralpartiklar som produceras av själva förbränningen av biobränsle som vi rapporterade förra året i Proceedings of the National Academy of Sciences ."

Data från denna studie kan ha en stor inverkan på framtida forskning om skogsbränder och klimatförändringar, sa Lydia Jahl, som nyligen fick sin Ph.D. i kemi från Carnegie Mellon i Sullivans grupp.

"Vi uppskattade att bränning av bara en kvadratmeter gräsmark kan påverka koncentrationen av iskärnbildande partiklar i hundratusentals kubikkilometer av atmosfären, ", sa Jahl. "Klimatmodellerare skulle kunna använda våra data ytterligare för att bestämma hur utsläpp av skogsbränder påverkar balansen mellan inkommande solstrålning och utgående markstrålning, bland andra molnegenskaper."