Die Arktis verliert rapide an 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 bewölkt wird.
Als Forscher aus dem Labor der Aerosolforscherin Kerri Pratt von der University of Michigan im Sommer 2015 Aerosole aus der arktischen Atmosphäre sammelten, entdeckte die damalige Doktorandin Rachel Kirpes etwas Merkwürdiges: Aerosolisierte Ammoniumsulfatpartikel sahen nicht wie typische flüssige Aerosole aus.
In Zusammenarbeit mit dem Aerosolwissenschaftler Andrew Ault entdeckte Kirpes, dass Ammoniumsulfatpartikel, die eigentlich flüssig sein sollten, in Wirklichkeit fest waren. Die Ergebnisse des Teams wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Feste Aerosole können die Wolkenbildung in der Arktis verändern. Und da die Arktis an Eis verliert, erwarten die Forscher, dass mehr dieser einzigartigen Partikel aus ozeanischen Emissionen in Kombination mit Ammoniak von Vögeln gebildet werden, was sich auf die Wolkenbildung und das Klima auswirken wird. Darüber hinaus ist das Verständnis der Eigenschaften von Aerosolen in der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Fähigkeit von Klimamodellen, das gegenwärtige und zukünftige Klima in der Arktis und darüber hinaus vorherzusagen.
“Die Arktis erwärmt sich schneller als jeder andere Ort auf der Welt. Da wir mehr Emissionen aus offenem Wasser in der Atmosphäre haben, könnten diese Arten von Partikeln an Bedeutung gewinnen”, sagte Pratt, außerordentlicher Professor für Chemie sowie Erd- und Umweltwissenschaften. “Diese Art von Beobachtungen ist deshalb so wichtig, weil wir so wenige Beobachtungen haben, um die Genauigkeit der Modelle der arktischen Atmosphäre zu bewerten.
“Bei so wenigen Beobachtungen gibt es manchmal Überraschungen wie diese, wenn man Messungen durchführt. Diese Partikel sahen anders aus als alles, was wir je in der Literatur, in der Arktis oder irgendwo sonst 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 Chemieprofessor, erklärt, dass man normalerweise davon ausgeht, dass Aerosole in der Arktis flüssig sind.
Sobald die relative Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre 80 % erreicht, was in etwa dem Niveau eines feuchten Tages entspricht, werden die Partikel flüssig. Wenn man das Aerosol wieder trocknet, wird es erst bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 35 % bis 40 % wieder zu einem Feststoff. Da die Luft über dem Arktischen Ozean – oder jedem anderen Ozean – feucht ist, erwarten die Forscher, dass sie flüssige Aerosole sehen.
“Aber was wir gesehen haben, ist ein ziemlich neues Phänomen, bei dem ein kleines Teilchen mit unseren Tröpfchen kollidiert, wenn die Luftfeuchtigkeit unter 80 %, aber über 40 % liegt. Dadurch entsteht eine Oberfläche, auf der sich das Aerosol verfestigt und bei einer höheren relativen Luftfeuchtigkeit als erwartet zu einem Feststoff wird”, so Ault.
“Diese Partikel ähnelten viel mehr einer Murmel als einem Tröpfchen. Das ist wirklich wichtig, vor allem in einer Region, in der bisher nicht viele Messungen durchgeführt wurden, denn diese Partikel können schließlich als Keime für Wolken dienen oder Reaktionen auslösen.”
Außerdem, so die Forscher, beeinflussen Größe, Zusammensetzung und Phase der atmosphärischen Aerosole den Klimawandel durch Wasseraufnahme und Wolkenbildung.
“Es ist unsere Aufgabe, den Modellierern zu helfen, ihre Modelle zu verfeinern”, sagte Ault. “Es ist nicht so, dass die Modelle falsch sind, aber sie brauchen immer mehr neue Informationen, wenn sich die Ereignisse am Boden ändern, und was wir gesehen haben, war etwas völlig Unerwartetes”.
Pratts Team sammelte im August-September 2015 Aerosole in Utqia?vik, dem nördlichsten Punkt Alaskas. Dazu verwendeten sie einen so genannten Multistage-Impaktor, ein Gerät mit mehreren Stufen, die Partikel je nach ihrer Größe auffangen. Kirpes analysierte diese Partikel später in Aults Labor mit Hilfe 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 noch Eis in Küstennähe gab, selbst im August und September, würden wir diese Partikel nicht beobachten. Wir beobachten die Folgen des 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 entscheidend sind, für diesen Ort, der sich schneller verändert als irgendwo sonst.”
Datum: März 28, 2022
Quelle: Universität von Michigan
Journal Reference:
- Rachel M. Kirpes, Ziying Lei, Matthew Fraund, Matthew J. Gunsch, Nathaniel W. May, Tate E. Barrett, Claire E. Moffett, Andrew J. Schauer, Becky Alexander, Lucia M. Upchurch, Swarup China, Patricia K. Quinn, Ryan C. Moffet, Alexander Laskin, Rebecca J. Sheesley, Kerri A. Pratt, Andrew P. Ault. Solid organic-coated ammonium sulfate particles at high relative humidity in the summertime Arctic atmosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (14) DOI: 10.1073/pnas.2104496119