När skogsbränder och värmeböljor stressar västra USA, oron över torkan ökar:torra landskap brinner lättare, och regn kan hjälpa till att dämpa bränder som redan rasar. Men rök från skogsbrand kan hindra det viktiga regnet från att falla.

En ny studie visar att små partiklar i rök från en skogsbrand påverkar hur droppar bildas i moln, potentiellt resultera i mindre regn och förvärra torra förhållanden som ger bränsle till bränder.

När skogsbränder skickar rök upp i atmosfären, små partiklar flyger upp med den. Vattendroppar kan kondensera på partiklarna i moln.

Studiens författare förväntade sig en ökning av antalet vattendroppar som bildas i moln som ett resultat av skogsbränder, eftersom fler partiklar skapar fler droppar. Men skillnaden mellan rökiga och rena moln var större än väntat, med rökiga moln som är värd för ungefär fem gånger antalet droppar än deras rena motsvarigheter. Rökiga droppar var också hälften så stora som orörda droppar.

Den storleksskillnaden är det som kan stoppa dropparna från att falla. Eftersom små droppar är mindre benägna att växa och så småningom falla ut som regn, skogsbränder i västra USA kan innebära mindre regn under skogsbränder, enligt den nya studien publicerad i AGU-tidskriften Geofysiska forskningsbrev , som publicerar hög effekt, kortformatsrapporter med omedelbara implikationer som spänner över alla jord- och rymdvetenskaper.

"Vi blev förvånade över hur effektiva dessa i första hand organiska partiklar var för att bilda molndroppar och vilka stora effekter de hade på molnens mikrofysik, " sa huvudförfattaren Cynthia Twohy, en atmosfärsforskare vid NorthWest Research Associates och Scripps Institution of Oceanography. "Jag började tänka, "Vilka är de långsiktiga effekterna av detta? Vi har torka, och vi har många skogsbränder, och de ökar med tiden. Hur spelar moln in i den här bilden?"

Twohy och ett team av atmosfärskemister tillbringade sommaren 2018 i ett C-130 Hercules forskningsplan, provtagning av altocumulusmoln på mitten av höjden medan bränder brann över västra USA. Instrument ombord på planet mätte gaser och partiklar som emitterades av skogsbränder och provtagna droppar, vars kemi Twohy analyserade i labbet.

Arbetet ger direkt ny insikt i mikrofysiken och kemin hos moln kopplade till skogsbränder som kan hjälpa forskare att förstå potentiella orsaker och effekter av atmosfäriska förändringar under skogsbränder.

Rökiga moln komplexitet

I moln som når högt upp i atmosfären, att lägga till fler partiklar kan stärka molnen och orsaka regn, men motsatsen är sant för cumulusmoln på lägre höjd som de Twohy studerade. Tidigare arbete, utan samband med den aktuella studien, hittade liknande förändringar i droppstorlek och koncentration relaterade till rök i Amazonas, stödja de nya rönen.

"Det som verkligen upphetsade mig med den här uppsatsen var kopplingarna till den hydrologiska cykeln, sa Ann Marie Carlton, en atmosfärisk kemist vid University of California-Irvine som inte var involverad i den nya studien. "De observerar skillnader i molndroppsstorlek och nederbörd, och molnbildning påverkar definitivt den hydrologiska cykeln. Att ha molnrelaterade fynd så robusta är lite ovanligt, enligt min erfarenhet."

Molnmikrofysik är komplex, och Twohy noterar att det finns andra faktorer än droppstorleken att ta hänsyn till för den övergripande påverkan rökiga moln har på det regionala klimatet. Den nya studien fokuserade på små cumulusmoln, som täcker ungefär en fjärdedel av västra USA på sommaren, men andra typer av moln, som åskväder på högre höjd, skulle kunna bete sig annorlunda. I grundare moln, ju fler, mindre droppar kan också vara mer reflekterande, som kan ha en lätt kylande effekt vid ytan.

Med sommarregnet i regionen minskar, Twohy tror att torkningseffekterna vinner över faktorer som kan öka regn, som molnupplivning.

"Under de senaste två decennierna, sommarnederbörden minskar och temperaturerna stiger. Molneffekterna är sannolikt en viktig del av allt detta. Jag hoppas att dessa resultat kommer att stimulera detaljerade regionala modelleringsstudier som hjälper oss att förstå rökens nettoeffekt på moln och klimat i regionen, sa Twohy.

Om brandrök gör regn mindre sannolik, återkoppling mellan rök, torrperioder och fler skogsbränder kan bli vanligare i framtiden. Molnmikrofysik är komplex, så det kan vara en tidsfråga innan dessa relationer är tydliga. Oavsett, genom att koppla brandrök till molnförändringar och preliminärt, nederbörd, Twohys nya forskning driver atmosfärsfysik och kemi att komma ikapp klimatförändringarna.

"Eftersom människor har stört atmosfärens sammansättning, det finns alla dessa återkopplingar och interaktioner som vi inte ens känner till, " sade Carlton. "Det här experimentet vi gör på planeten jorden förändrar molnen och den hydrologiska cykeln, åtminstone regionalt. Jag tror att detta papper skrapar på ytan av det vi inte vet."