Quantifizierung der Auswirkungen des simulierten Mischungszustands auf die optischen Eigenschaften von Aerosolen

Partikel in der Atmosphäre beeinflussen das globale Klima. Beispielsweise absorbiert und strahlt der Ruß aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe Licht und Wärme ab. Um die Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima zu berechnen, greifen Wissenschaftler auf simulierte Aerosolfelder zurück. Wie diese Modelle den Zustand der Aerosolmischung darstellen, führt möglicherweise zu großen Unsicherheiten in Klimaberechnungen. Dies liegt daran, dass die simulierten optischen Eigenschaften des Aerosols – wie Partikel Licht absorbieren und streuen – empfindlich auf den Mischungszustand reagieren. Der Mischungszustand bezieht sich darauf, wie verschiedene Eigenschaften über die Partikel in der Luft verteilt sind.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Atmosphärische Chemie und Physikhaben Forscher die Wirkung des Aerosol-Mischungszustands auf die optischen Eigenschaften des Aerosols systematisch quantifiziert. Dazu nutzten sie ein Ensemble von 1.800 Aerosolpopulationen aus verschiedenen partikelaufgelösten Simulationen. Diese komplexen Simulationen arbeiten auf der Skala einzelner Partikel.

Die Untersuchung der Auswirkungen des Mischungszustands des Aerosols auf die optischen Eigenschaften des Aerosols ist sowohl für die Modellierung als auch für experimentelle Studien wichtig. Dieses neue Papier nähert sich diesem Thema, indem es partikelaufgelöste Simulationen als Benchmark verwendet. Es wendet diesen Benchmark an, um den Fehler in den optischen Eigenschaften zu bestimmen, wenn vereinfachte Aerosoldarstellungen verwendet werden. Diese vereinfachten Darstellungen sind in modernen Aerosolmodellen üblich. Die Forscher entwirrten die Ursachen für Verzerrungen bei der Vorhersage optischer Eigenschaften, die durch die Annahme eingeführt wurden, dass sich Partikel innerhalb vorgeschriebener Größenklassen vermischen. Einige dieser Fehler sind groß genug, um Vorsicht bei der Berechnung zu rechtfertigen, wie Partikel das Klima direkt beeinflussen.

Im Rahmen der Studie quantifizierte ein Forschungsteam systematisch die Fehler, die durch interne Mischungsannahmen eingeführt wurden, die in Schnittaerosolmodellen verwendet wurden. Die Annahme der internen Mischung führte im Allgemeinen zu einer Überschätzung der Volumenabsorptionskoeffizienten und einer Unterschätzung der Volumenstreuungskoeffizienten. Die relativen Fehler für ϵ(βabs) und ϵ(βscat) erreichten bis zu 70 % bzw. –32 %. Die Überschätzung der Absorption und die Unterschätzung der Streuung führten zu einer konsistenten Unterschätzung der einzelnen Streualbedo mit Fehlern von bis zu –22,3 % und mittleren Fehlern von –0,9 %. Der relative Fehler des Volumenabsorptionskoeffizienten ϵ(βabs) zeigte bei relativer Luftfeuchte von 50 % und 90 % im Vergleich zur trockenen Umgebung ein ähnliches Muster. Der relative Fehler im Volumenstreukoeffizienten ϵ(βscat) nahm bei höherer relativer Luftfeuchte aufgrund des durch hygroskopisches Wachstum vergrößerten Streuquerschnitts ab.

Dem Team gehörten Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign, der Japan Meteorological Agency, des Japanese National Institute of Polar Research, des Japanese Research Institute for Humanity and Nature und des National Center for Atmospheric Research an.