Wissenschaftler charakterisieren Meeresgischtpartikel, die Eiskristalle in Wolken in großer Höhe bilden

Obwohl es mehrere Quellen für eisbildende Partikel in der Atmosphäre gibt, gelten Sea Spray Aerosole (SSAs) als eine bedeutende Quelle für eisbildende Partikel (INPs). Aber was SSAs umfasst, wie sie die Wolkenbildung beeinflussen und wie sie wiederum das Klima beeinflussen können, bleiben offene und wichtige Fragen für Atmosphärenwissenschaftler.

Jetzt haben Forscher der Stony Brook University eine Möglichkeit entwickelt, SSAs in Labortanks zu simulieren, die die Meeresbedingungen widerspiegeln. Dies hat es ihnen ermöglicht, die organischen Verbindungen zu bestimmen, die mit wachsenden Meeresmikroorganismen assoziiert sind und von diesen freigesetzt werden, und Hinweise auf die Rolle dieser Verbindungen als INPs zu entdecken. Sie untersuchten auch, dass die Bildung von Eis selbst ein komplexer Prozess ist und durch verschiedene Mechanismen gebildet werden kann. Ihre Ergebnisse sind in einem in veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben Wissenschaftliche Fortschritte.

Aerosole, die durch Winde erzeugt werden, die über die Meeresoberfläche wehen, und Blasen bilden Sprays aus feinen Salzpartikeln, die mit organischen Verbindungen beschichtet sind, die hoch in die Atmosphäre transportiert werden können, wo sich Wolken bilden. Sie gehören zu verschiedenen anderen Partikeltypen, darunter Staub, Ruß und Asche von Waldbränden, die zur Eisbildung in der Atmosphäre beitragen.

Ozeane bedecken 70 % des Planeten, mit Gebieten abseits der Kontinente, in denen SSAs den größten Beitrag zu INPs und Wolkenbildung leisten. Damit Wissenschaftler die Bildung von Wolken vorhersagen und ihre klimatischen Auswirkungen abschätzen können, müssen sie zunächst verstehen, unter welchen Bedingungen sich Eiskristalle aus Partikeln bilden können, die aus der größten Quelle, dem Ozean, stammen.

Der korrespondierende Autor Daniel Knopf, Professor für Atmosphärenchemie, und Co-Autorin Professor Josephine Aller, eine mikrobielle Ozeanographin an der School of Marine and Atmospheric Sciences (SoMAS) der Stony Brook University, und ihr Forschungsteam simulierten Ozeanwasser und erzeugten Eisbildung SSA-Partikel. Sie untersuchten diese und stellten fest, dass die SSA-Partikel aus Stoffwechselprodukten von Mikroorganismen bestehen, die nahe der Meeresoberfläche leben.

Im SoMAS Aerosol Research Laboratory in Stony Brook wurden SSA-Partikel in versiegelten Simulationstanks hergestellt, um die Bedingungen der Ozeane nachzubilden. Die erzeugten luftgetragenen Partikel wurden für ihre Wolkenbildungsexperimente verwendet. Ihre Experimente zeigten, dass diese Partikel Eiskristalle auf zwei deutlich unterschiedlichen Wegen unter typischen atmosphärischen Bedingungen erzeugen – Eis kann sich entweder durch Wasserdampf auf den SSA-Partikeln oder aus flüssigen SSA-Tröpfchen bilden.

„Unsere Ergebnisse bringen mikrobiologische Prozesse im Oberflächenwasser der Ozeane eindeutig mit der Wolkenbildung in Verbindung“, sagt Knopf. „Die Studie ergab, dass die von Mikroorganismen freigesetzten Polysaccharide und Proteine ​​als Keimbildner in SSA-Partikeln dienen. Daher konnten wir auf molekularer Ebene die organische Substanz identifizieren, die die Eiskeimbildung auslöst.“

Das Team, sagte Knopf, konnte diese Entdeckung nur erreichen, indem es die Zusammensetzung einzelner Partikel mit Röntgenmikroskopie-Technologie an der Synchrotron-Lichtquelle am Lawrence Berkeley National Laboratory bis ins kleinste Detail untersuchte.

„Diese Studie identifiziert nicht nur den Eiskeimbildner, sondern liefert auch die erste ganzheitliche Parametrisierung, um das Einfrieren von SSA-Partikeln vorherzusagen“, fügt Aller hinzu. „Diese neue Parametrisierung umfasst das Immersionsgefrieren, da das INP in einer Flüssigkeit, normalerweise Wasser, eingeschlossen ist, und die Ablagerungseiskeimbildung, bei der sich Eis auf dem INP ohne sichtbares Wasser bildet. Unsere neue Parametrisierung deckt zwei Gefrierszenarien ab und kann in Wolken angewendet werden. Auflösungs- und Klimamodelle zur Bewertung der klimatischen Auswirkungen von eiskristallhaltigen Wolken.“

Eine Region, in der diese Modellierung von Eisbildung und Wolken hilfreich sein kann, ist die polare Arktis. Sowohl Knopf als auch Aller sagen, dass das Modell dazu beitragen kann, die Unsicherheiten bei der Vorhersage der zukünftigen Erwärmung der Polarregionen einzudämmen – einer Region, die sich schneller erwärmt als andere Regionen der Welt.

Insgesamt weisen die Autoren darauf hin, dass die Anwendung dieser neuen Ergebnisse des Gefrierprozesses in Kombination mit Daten aus anderen Studien zu einem klareren Modell geführt hat, um zu beschreiben, wie der Eisbildungsprozess abläuft und wie er vorhergesagt werden kann, wenn man nur Temperatur, Feuchtigkeit, und SSA-Teilchengröße.

Diese Forschung entstand als multidisziplinäre Untersuchung, die die Analyse der Biochemie mikrobieller Organismen in Meeresoberflächengewässern mit Kaltwolkenbildungsprozessen in der Atmosphäre kombiniert.

Das Projekt wurde von den Forschungsteams Aller und Knopf geleitet, an denen die Arbeiten von drei ehemaligen Doktoranden der Stony Brook University beteiligt waren: Peter Alpert, der Hauptautor und jetzt Forschungswissenschaftler am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz; Wendy Kilthau, jetzt am Plum Island Animal Disease Center, und Bingbing Wang, jetzt Professor an der Xiamen University in China.