Träd, grödor och annan vegetation i mellanvästra USA fungerar som stora kolsänkor under sommaren, ta upp koldioxid (CO ₂ ) och begränsa mängden växthusgas som kommer in i atmosfären. Vad som händer med koldioxid när en kallfront flyttar in har i stort sett förblivit ett mysterium, men Penn State-ledd forskning erbjuder nya insikter som kan hjälpa till att förbättra globala koldioxidmodeller.

"Fokus för denna forskning är att förstå och kvantifiera hur lågtryckssystem transporterar koldioxid i atmosfären, "sade Ken Davis, professor i atmosfär och klimatvetenskap vid Penn State. "Detta är en del av en större insats, projektet Atmospheric Carbon and Transport-America (ACT-America), för att lära sig hur man tolkar mätningar av koldioxid i atmosfären för att korrekt utläsa källor och sänkor av koldioxid vid jordytan. Att göra detta, vi behöver veta hur koldioxid blandas av atmosfären, och det har inte varit mycket tidigare fokus på hur lågtryckssystem slankar kring denna växthusgas. "

De flesta modeller som handlar om atmosfäriskt kol tenderar att fokusera på globala snarare än regionala trender, han lade till, och kanske inte korrekt representerar förändringarna i atmosfärisk koldioxid som uppstår under dessa system.

För att bättre förstå fenomenet, forskarna studerade koldioxidhalter över Lincoln, Nebraska, innan, under och efter en kallfront som passerade genom området i augusti 2016. Kallfronter uppstår när en kall luftmassa tränger in i en varmare luftmassa, och de kan få åskväder att bildas och temperaturen sjunka dramatiskt. Forskargruppen tog mätningar från två flygplan. Flygplanet passerade systemets främre gräns - där de varma och kalla luftmassorna möts - flera gånger. De flög också på flera höjder, mellan cirka 1, 000 och 26, 000 fot, och registrerade förändringarna i koldioxidhalterna i systemets varma och kalla sektorer.

Forskarna skrev in uppgifterna i en datormodell som tittade på koldioxidhalter i tre olika upplösningar. Resolutionerna varierade från att vara nio till 1, 600 gånger högre arealupplösning än vad som används i globala modeller, ger forskarna en mer exakt titt på vad som händer med koldioxid när systemet passerar. De fokuserade också på tre kategorier av koldioxidkällor och sänkor - biogena flussmedel, eller koldioxid som tas upp och andas av växter, bakterier och djur, inklusive människor; fossila bränslekällor som bilar och fabriker; och gränsflöden, eller i detta fall källor och sänkor av koldioxid bortom den nordamerikanska kontinenten. De rapporterade sina fynd i majnumret av JGR Atmosfärer .

"Vi hittade ett stort band av koldioxid fångat runt det främre systemet, "sade Arkayan Samaddar, en doktorand vid institutionen för meteorologi och atmosfärisk vetenskap i Penn State. Studien är en del av Samaddars doktorsavhandling. "Genom att analysera det med en så hög upplösning, vi ser att det inte bara är ett enhetligt band koldioxid. Vi ser mycket mer struktur och får mer information än om vi skulle titta på det globalt. Att titta på koldioxid i regional skala hjälper oss att bättre bestämma källor och sänkor. "

Forskarna fann att under denna sommarfront, biologiska källor och sänkor stod för de största förändringarna i atmosfärisk koldioxid, vilket inte är förvånande eftersom växter, djur och människor tar ständigt upp och andas koldioxid och biologiska aktivitetstoppar på sommaren, enligt Davis.

"Med växter kan du inte direkt se skillnaden mellan fotosyntes, när de tar upp koldioxid, och andning, när de släpper den. Atmosfärisk koldioxid reagerar på nätutbytet, "Sa Davis.

Skillnaden mellan kategorierna biogena och fossila bränslen, Davis tillade, är att den förstnämnda kategorin fungerar både som en källa och en viktig sänkning som hjälper till att mildra utsläpp av fossila bränslen, kategorin fossila bränslen är en kontinuerlig källa till koldioxid.

Forskarna noterade att källorna och sänkorna skapade ett konsekvent mönster av koldioxid i atmosfären. På natten, koldioxidhalterna nära jordytan ökade till mer än 410 delar per miljon innan de sjönk till 380 delar per miljon under dagen på grund av fotosyntes av växter. Gasens nivåer i det atmosfäriska gränsskiktet, som är den lägsta delen av atmosfären och kan sträcka sig till en höjd av cirka 16, 400 fot, förblev relativt konsekvent, allt från 380 delar per miljon i den nedre delen av gränsskiktet till ungefär 395 delar per miljon i de övre skikten. Koldioxidhalter över det atmosfäriska gränsskiktet, upp till en höjd av cirka 28, 000 fot, varierade från 400 till 405 delar per miljon.

Forskarna fann att när frontsystemet flyttade in, horisontella vindar störde detta mönster och rörde upp atmosfären, flytta koldioxid till den övre atmosfären.

"När den varma sektorn på fronten passerar, vi ser detta nästan konstanta fält med högre koldioxid som sträcker sig från jordytan ända upp till 28, 000 fot, "Sa Samaddar." Vi har aldrig sett det här förut. "

Forskarna tror att den höga koldioxiden i den varma sektorn kom från ekosystem i Gulf Coast -regionen. Ekosystem där kan ha andats mer än de fotosyntetiserade när data samlades in, medan grödor och skogar i USA:s Mellanvästern och Kanada tycks ha varit nettosänkor av koldioxid, sa Davis.

Den varma sektorn följs omedelbart av den kalla sektorn, som är en kall luftmassa med lägre koldioxidhalter som kommer från Kanada. Den kalla sektorn sänker koldioxidhalten i det atmosfäriska gränsskiktet ända till jordytan, och sedan slår det vanliga koldioxidmönstret tillbaka, sa Samaddar.

"Denna information är användbar inte bara för forskare som försöker ta reda på koldioxidkällor och sänkor, men också för modellerare att se om koldioxidrörelsen i deras globala kolmodeller är korrekt, " han sa.

Forskarna försöker nu mäta hur mycket koldioxid som skjuts in i den övre atmosfären av dessa frontsystem.