Die Arktis verliert schnell Meereis, und weniger Eis bedeutet mehr offenes Wasser, und mehr offenes Wasser bedeutet mehr Gas- und Aerosolemissionen aus dem Ozean in die Luft, wodurch die Atmosphäre erwärmt und trüber wird.
Als Forscher des Labors der Aerosolwissenschaftlerin Kerri Pratt von der University of Michigan im Sommer 2015 Aerosole aus der arktischen Atmosphäre sammelten, entdeckte die damalige Doktorandin Rachel Kirpes eine merkwürdige Sache: Aerosolisierte Ammoniumsulfatpartikel sahen nicht wie typische flüssige Aerosole aus.
In Zusammenarbeit mit dem Aerosolwissenschaftler Andrew Ault entdeckte Kirpes, dass Ammoniumsulfatpartikel, die flüssig hätten sein sollen, tatsächlich fest waren. Die Ergebnisse des Teams werden im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.
Feste Aerosole können die Wolkenbildung in der Arktis verändern. Und da die Arktis Eis verliert, erwarten die Forscher, mehr dieser einzigartigen Partikel zu sehen, die aus ozeanischen Emissionen in Kombination mit Ammoniak von Vögeln gebildet werden, was die Wolkenbildung und das Klima beeinflussen wird. Darüber hinaus ist das Verständnis der Eigenschaften von Aerosolen in der Atmosphäre entscheidend für die Verbesserung der Fähigkeit von Klimamodellen, das aktuelle und zukünftige Klima in der Arktis und darüber hinaus vorherzusagen.
„Die Arktis erwärmt sich schneller als irgendwo sonst auf der Welt. Da wir mehr Emissionen aus offenem Wasser in die Atmosphäre haben, könnten diese Arten von Partikeln an Bedeutung gewinnen“, sagte Pratt, außerordentlicher Professor für Chemie sowie Erd- und Umweltwissenschaften. „Diese Arten von Beobachtungen sind so kritisch, weil wir so wenige Beobachtungen haben, um überhaupt die Genauigkeit von Modellen der arktischen Atmosphäre zu bewerten.
„Bei so wenigen Beobachtungen erlebt man manchmal solche Überraschungen, wenn man Messungen durchführt. Diese Partikel sahen mit nichts aus, was wir jemals in der Literatur, in der Arktis oder anderswo auf der Welt gesehen hatten.“
Die in der Studie beobachteten Aerosole waren bis zu 400 Nanometer groß, also etwa 300-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Ault, außerordentlicher Professor für Chemie, sagt, dass Aerosole in der Arktis normalerweise als flüssig angenommen werden.
Sobald die relative Luftfeuchtigkeit der Atmosphäre 80 % erreicht – etwa das Niveau eines schwülen Tages – wird das Partikel flüssig. Wenn Sie das Aerosol wieder austrocknen, verwandelt es sich nicht in einen Feststoff, bis die relative Luftfeuchtigkeit etwa 35 % bis 40 % beträgt. Da die Luft über dem Arktischen Ozean – oder jedem Ozean – feucht ist, erwarten die Forscher flüssige Aerosole.
„Aber was wir gesehen haben, ist ein ziemlich neues Phänomen, bei dem ein kleines Partikel mit unseren Tröpfchen kollidiert, wenn es unter 80 % Luftfeuchtigkeit, aber über 40 % Luftfeuchtigkeit liegt. Im Wesentlichen bietet dies eine Oberfläche für das Aerosol, um sich zu verfestigen und bei einem höheren Verhältnis fest zu werden Luftfeuchtigkeit, als Sie erwartet hätten“, sagte Alt.
„Diese Partikel ähnelten viel mehr einer Murmel als einem Tröpfchen. Das ist wirklich wichtig, besonders in einer Region, in der nicht viele Messungen durchgeführt wurden, da diese Partikel schließlich als Wolkenkeime fungieren oder Reaktionen auf ihnen auslösen können .“
Darüber hinaus, sagen die Forscher, beeinflussen die Größe, Zusammensetzung und Phase atmosphärischer Aerosole den Klimawandel durch Wasseraufnahme und Wolkenbildung.
„Es ist unsere Aufgabe, Modellbauern weiterhin dabei zu helfen, ihre Modelle zu verfeinern“, sagte Ault. „Es ist nicht so, dass die Modelle falsch liegen, aber sie brauchen immer neue Informationen, wenn sich die Ereignisse vor Ort ändern, und was wir gesehen haben, war etwas völlig Unerwartetes.“
Pratts Team sammelte von August bis September 2015 in Utqiaġvik, dem nördlichsten Punkt Alaskas, Aerosole. Dazu verwendeten sie einen sogenannten Multistage-Impaktor, ein Gerät mit mehreren Stufen, die Partikel entsprechend ihrer Größe sammeln. Kirpes analysierte diese Partikel später in Aults Labor unter Verwendung von Mikroskopie- und Spektroskopietechniken, die die Zusammensetzung und Phase von Partikeln mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern untersuchen können.
„Wenn wir mehrere Jahrzehnte zurückgehen würden, als es Eis in Küstennähe gab, sogar im August und September, würden wir diese Partikel nicht beobachten. Wir beobachten die Folgen dieses sich bereits ändernden Klimas“, sagte Pratt. „Wir müssen die Realität in Modellen erfassen, die Wolken und die Atmosphäre simulieren, die für das Verständnis des Energiehaushalts der arktischen Atmosphäre von entscheidender Bedeutung sind, für diesen Ort, der sich schneller verändert als anderswo.“
Rachel M. Kirpes et al, Feste organisch beschichtete Ammoniumsulfatpartikel bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit in der sommerlichen arktischen Atmosphäre, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2104496119