Wissenschaftler kartieren Veränderungen in Rußpartikeln, die von Waldbränden emittiert werden

Nicht viele Menschen würden freiwillig durch Rauchschwaden fliegen, die von Waldbränden ausgestoßen werden. Aber Atmosphärenwissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums verfolgen immer wieder Flugwege, die gewöhnlichen Fluggästen übel werden könnten. Ihr Ziel? Messen Sie die Eigenschaften der von Waldbränden emittierten Rußpartikel, damit sie erfahren können, wie diese Schwaden das Erdklima beeinflussen.

Die korrekte Modellierung der Auswirkungen dieser Partikel ist wichtig, sagen die Wissenschaftler, da Waldbrände sowohl an Intensität als auch an Häufigkeit zunehmen, teilweise aufgrund von Dürren, die durch steigende globale Temperaturen und sich ändernde Wasserkreisläufe verursacht werden.

„Wir brauchen ein besseres Verständnis der von diesen Bränden emittierten Partikel, einschließlich ihrer Entwicklung, damit wir unsere Vorhersagen über ihre Auswirkungen auf das Klima, den Klimawandel und die menschliche Gesundheit verbessern können“, sagte Arthur Sedlacek, einer der unerschrockenen Rauchprobennehmer.

Sedlacek und andere in Brookhaven und kooperierende Institutionen haben kürzlich eine Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Umweltwissenschaft und -technologie das deutet darauf hin, dass die globalen Klimamodelle nicht das vollständige Bild erhalten.

Diese Modelle basieren Schätzungen darüber, wie sich Brände auf das Klima auswirken, auf den optischen Eigenschaften von Rußpartikeln, die in unmittelbarer Nähe eines Feuers beprobt werden. Wie die neuen Daten zeigen, berücksichtigt dieser Ansatz nicht die Veränderungen der Rußpartikel im Laufe der Zeit. Diese Veränderungen, sagen die Wissenschaftler, können dramatisch beeinflussen, wie viel Sonnenlicht die Partikel streuen oder absorbieren, wie sie mit Wasser interagieren und wie wahrscheinlich es ist, dass sie Wolken bilden – all dies ist wichtig dafür, wie sie letztendlich das Erdklima beeinflussen.

„Basierend auf diesen Ergebnissen sollten wir die Verwendung von quellennahen Beobachtungen und Laborexperimenten als einzige Quelle für die Bestimmung, wie diese Partikel auf regionaler und globaler Ebene vertreten sind, neu bewerten“, sagte Sedlacek.

Kreuz und quer verlaufende Rauchfahnen

Um die neuen Daten zur Entwicklung von Rußpartikeln zu sammeln, installierten die Wissenschaftler empfindliche Instrumente zur Analyse von Aerosolpartikeln in Flugzeugen des DOE und der NASA.

Im Rahmen von zwei luftgestützten atmosphärischen Wissenschaftskampagnen, die von diesen beiden Agenturen rund um die Welt geleitet wurden, flogen sie mehr als 60 Forschungsflüge durch Waldbrandwolken, hin und her in zunehmender Entfernung von Bränden. Indem sie jede Wolke wiederholt kreuz und quer durchquerten, nahmen sie junge Partikel relativ nahe an Feuern sowie Partikel auf, die sich über Stunden entwickelt hatten. Bei anderen Flügen wurden weit von ihren Quellen entfernte Rauchfahnen mit einem geschätzten Alter von über 10 Tagen beprobt.

Ihr wichtigster Steinbruch war schwarzer Kohlenstoff oder Ruß, die primäre lichtabsorbierende Substanz, die von Bränden abgegeben wird, und das vorherrschende partikuläre klimaerwärmende Mittel.

„Ruß ist ein großartiger Tracer, um Waldbrandfahnen zu untersuchen, weil er inert ist, was bedeutet, dass er chemisch nicht reaktiv ist“, sagte Brookhaven-Wissenschaftler Ernie Lewis, ein Co-Autor der Studie. „Es absorbiert leicht Licht (weshalb es schwarz ist) und kann daher von unseren Instrumenten leicht erkannt werden.“

„Darüber hinaus sind seine einzigen Quellen für die Entfernung aus der Atmosphäre die Schwerkraft – die aufgrund ihrer geringen Größe wenig Einfluss auf diese Partikel hat – und Regen nach Sie bilden Wolkentropfen“, sagte er.

Damit sich um Rußwolkentropfen bilden können, muss Ruß zunächst eine Beschichtung aus anderen Stoffen annehmen. Und hier wird die Geschichte des einfachen schwarzen Kohlenstoffs viel komplexer.

Innerhalb der ersten Stunde nach der Formung beginnt ein schwarzes Kohlenstoffpartikel, eine Beschichtung aus organischem Material anzusammeln. Diese Beschichtung stammt hauptsächlich von flüchtigen organischen Verbindungen, die von der brennenden Vegetation verdampft wurden, die dann die schwarzen Kohlenstoff-„Kerne“ einkapseln.

Die meisten Klimamodelle gehen davon aus, dass alle Rußpartikel wie diese einheitlich beschichteten schwarzen Kohlenstoffkerne aussehen. Die für diese Studie gesammelten Daten zeigen jedoch, dass die Dicke des Beschichtungsmaterials nur für ein bis zwei Tage relativ konstant bleibt. Dann beginnt das Beschichtungsniveau langsam abzunehmen, bis etwa am 10. Tag des Lebenszyklus des Partikels nur noch etwa 30 Prozent davon übrig sind.

„Dieser langsame Verlust von Beschichtungsmaterial wird in den heutigen Klimamodellen nicht erfasst“, sagte Sedlacek.

Die Daten zeigen, dass die Partikel einen größeren Teil ihrer Existenz mit dünner werdenden Beschichtungen verbringen – und näher am letzten, zu 30 Prozent beschichteten Entwicklungsstadium – als jeder andere Teil ihres Lebenszyklus, der einige Wochen dauern kann.

Licht absorbieren und streuen

Diese Änderungen haben dramatische Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften der Partikel. Wenn beispielsweise die Dicke einer Beschichtung auf einem schwarzen Kohlenstoffpartikel abnimmt, nimmt die von dem Partikel gestreute Lichtmenge schneller ab als die absorbierte Lichtmenge. Da die Lichtstreuung durch Partikel im Allgemeinen einen netto kühlenden Effekt auf das Erdklima hat und die Lichtabsorption einen netto wärmenden Effekt hat, verändert diese Änderung des Gleichgewichts die Wirkung dieser Partikel auf das Klima.

Darüber hinaus bilden Partikel mit einer dickeren Beschichtung für Schwaden in niedrigen Höhen, in denen sich Wolken bilden, leichter Wolkentropfen. Das bedeutet, dass diese Partikel aus der Wolke entfernt werden und aus der Atmosphäre fallen können, wenn der Wolkentropfen zu einem Regentropfen wird. Die in der Wolke verbleibenden schwarzen Kohlenstoffpartikel sind daher diejenigen mit dünneren Beschichtungen.

„Dünnere Beschichtungen machen diese verbleibenden Plume-Partikel relativ lichtabsorbierender und weniger streuend als die Partikelmischung, die sich in der Plume befand, bevor sich Wolken bildeten“, erklärte Lewis. „Und noch einmal, mehr Absorption kann mehr Wärme einfangen und das Erdklima erwärmen.“

Werkzeuge des Handels

Das Hauptinstrument zur Charakterisierung von Rußpartikeln ist das Single Particle Soot Photometer (SP2). Dieses Instrument schickt einen Partikelstrom einzeln durch einen Laserstrahl und nimmt Lichtblitze auf, wenn die Partikel verdampfen. Es kann Informationen über Tausende von Partikeln pro Sekunde sammeln, einschließlich ihrer Größe und der Dicke ihrer Beschichtungen. So funktioniert das:

Wenn ein Teilchen tut nicht Ruß enthalten, streut es nur das Licht des Lasers, und die Menge des gestreuten Lichts kann verwendet werden, um die Größe des Partikels zu bestimmen.

Partikel, die Ruß enthalten, sind nicht so einfach. Sie streuen etwas Licht, aber sie absorbieren auch Licht (denken Sie daran, das macht den schwarzen Kohlenstoffteil der Partikel schwarz). Dabei erhitzen sie sich schnell und lösen eine Reihe von Ereignissen aus, die nur wenige Millionstel Sekunden dauern.

Erstens verdampfen die Beschichtungen, wodurch die Partikel kleiner werden, was zu weniger Streulicht führt. Als nächstes erhitzen sich die schwarzen Kohlenstoffpartikel, nachdem ihre Beschichtungen entfernt wurden und die Wärme nicht mehr ableiten können, wirklich – auf fast 7.000 Grad Fahrenheit! Dadurch verdampfen sie und geben einen Lichtblitz ab. Die vom SP2 aufgenommene Lichtmenge steht in direktem Zusammenhang damit, wie viel Ruß sich im Partikel befand. Ziehen sie diese Menge von der Partikelgröße ab, die durch die anfängliche Laserstreuung bestimmt wurde, erhalten die Wissenschaftler die Dicke der Beschichtung.

Diese Fülle von Daten sowohl über die schwarzen Kohlenstoffpartikel in der Wolke als auch über die anderen Partikel kann dann verwendet werden, um zu berechnen, wie die Wolke als Ganzes mit dem Sonnenlicht interagiert und das Klima beeinflusst. Und durch Messungen von Rauchschwaden in verschiedenen Altersstufen können Wissenschaftler besser verstehen, wie sich diese Wechselwirkungen über die Lebensdauer der Rauchschwaden verändern.

Die Beobachtungen aus diesen Feldkampagnen sind auch hilfreich, um auf neue Forschungsfragen aufmerksam zu machen – etwa wie die Partikel in der Rauchfahne Wolkentropfen bilden.

„Um die komplexen und komplizierten Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken zu verstehen, ist ein mehrgleisiger Ansatz erforderlich, bei dem Feldmessungen Modelle informieren, Modelle Diskrepanzen finden, die gezielte Laborexperimente erfordern, und bei dem Ergebnisse aus Laborstudien neue Feldkampagnen motivieren“, sagte Sedlacek.