Experimental Studies on Ambient Aerosol Hygroscopicity

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Luften vi andas innehåller inte bara gaser som kväve och det syre vi behöver för att leva. Förutom de vanligaste gaserna i atmosfären finns det så kallade spårgaser, som visserligen har väldigt låg koncentration, men som har stor betydelse genom sina speciella kemiska och fysiska egenskaper. Koldioxid och ozon är exempel på sådana gaser. Förutom ozonets kraftiga oxiderande förmåga på atmosfären är båda gaserna effektiva på att absorbera och återsända den långvågiga strålning som jorden utsänder, medan de båda släpper igenom det mesta av det ljus som kommer från solen. Effekten blir en uppvärmning av atmosfären och dessa uppvärmande gaser kallas med ett gemensamt namn för växthusgaser (en något felaktig benämning eftersom växthus värms framförallt genom att man hindrar värmebortföring via konvektion). Under senare år har växthuseffekten, eller snarare den mänskliga påverkan av växthuseffekten blivit politiskt hetstoff, då det har visat sig att vår förbränning av fossila bränslen påverkar atmosfären och i förlängningen ökar temperaturen på jorden. Att koldioxid har stor betydelse för uppvärmning av atmosfären har varit känt sedan 1800-talet och redan 1896 gjorde Svante Arrhenius de första försöken att sätta siffror på hur många graders uppvärmning en viss mängd koldioxid skulle medföra. Även om han gjorde grova antaganden med nuvarande mått mätt, hamnade han faktiskt ungefär på samma värde som den senaste rapporten från IPCC – FNs klimatpanel. Problematiken kring växthusgaser ligger inte just på växthusgaserna, och huruvida de har en uppvärmande effekt eller inte, utan kärnan till debatten är att den så kallade klimatkänsligheten fortfarande är högst osäker. Med detta menas att vi idag inte vet hur många graders skillnad en viss mängd växthusgaser kommer att resultera i. Kommer en dubblering av koldioxidkoncentrationen att leda till 2 eller 8 graders temperaturhöjning? Den enskilt största osäkerheten vad gäller att räkna ut människans påverkan på jordens strålningsbalans beror på att atmosfären inte bara innehåller gaser. Den innehåller nämligen även tusentals partiklar per kubikcentimeter, som jämfört med de små gasmolekylerna är miljoner eller till och med miljarder gånger större, sett till deras volym. Gemensamt för dessa partiklar är att de är så stora att de inte är att betrakta som gasmolekyler utan snarare som ansamlingar – fasta eller flytande – av en mängd olika sorters molekyler, samt att de är så små att de inte faller ned till marken utan hålls svävande i luften tack vare ständigt bombardemang från närliggande gasmolekyler. Denna typ av system, med partiklar suspenderade i en gas, eller i en blandning av gaser kallas för en aerosol. Även om dessa partiklar utgör en försvinnande liten del atmosfärens massa så spelar de en mycket stor roll för livet på jorden. Till skillnad från växthusgaserna så sprider aerosolpartiklarna det inkommande solljuset bättre än de sprider den långvågiga värmestrålningen från jorden. Även om det finns undantag, såsom sotpartiklar som effektivt absorberar det inkommande ljuset snarare än att sprida det, resulterar detta i en kylande effekt av klimatet och motverkar på så sätt växthuseffekten. Att kvantifiera hur den totala påverkan på strålningsbalansen från antropogena partikelutsläpp påverkar denna nedkylning är mer komplicerat än att beräkna växthusgasernas uppvärmning. Dels har olika partiklar olika ljusspridande egenskaper, dels varierar aerosolens egenskaper kraftigt på olika platser och tidpunkter. Storleksfördelning, kemisk sammansättning och antalskoncentration är högst variabla och beroende av källstyrkor och meteorologi. Dessutom tillkommer komplikationen att de flesta partiklarna växelverkar med vattenångan i luften, och hög luftfuktighet gör att de växer och ändrar sina reflektiva egenskaper. Så länge den relativa luftfuktigheten är mindre än 100% inställer sig snabbt en termodynamisk jämvikt med vattenångan i den omgivande luften, och partikeldiametern kan dubbleras eller till och med tredubblas. Aerosolens ljusspridande påverkan på jorden strålningsbalans brukar benämnas den direkta aerosoleffekten. Förutom den direkta aerosoleffekten är aerosolpartiklar en förutsättning för molnbildning. När luftfuktigheten når någon tiondel över 100% så kommer partiklarna att lämna jämvikten och börja en snabb tillväxt. Man säger att partiklarna aktiverar och bildar molndroppar, och diametern kan snabbt öka till hundra gånger sin ursprungliga storlek. Variationer i storlek och kemisk sammansättning gör att vissa partiklar aktiverar tidigare än andra, och det är till slut bara en del av de tillgängliga partiklarna faktiskt blir molndroppar. Generellt kan man säga att ju fler tillgängliga partiklar, desto fler molndroppar i ett moln. Eftersom fler molndroppar påverkar molnets egenskaper såsom albedo (molnets ”vithet” sett från rymden), typ av nederbörd och tiden innan eventuell nederbörd initieras, påverkar mänskliga utsläpp av partiklar alla dessa egenskaper. De kallas med ett gemensamt namn för den indirekta aerosoleffekten. De senaste uppskattningarna indikerar att både den direkta och den indirekta aerosoleffekten totalt sett har en kylande effekt på kliamtet. Problemet är att vi inte vet hur mycket. Det kan vara så att effekten är marginell jämfört med växthusgasernas uppvärmning, men det kan också vara så att partiklarnas avkylning är i samma storleksordning som uppvärmningen. I det första fallet har vi en relativt låg klimatkänslighet, i det andra fallet en betydligt högre. Detta är bakgrunden till en stor del av osäkerheten den förutspådda temperaturökningen och bakgrunden till forskningen som presenteras i denna doktorsavhandling. Denna avhandling fokuserar på ovannämnda växelverkan mellan aerosolpartiklar och luftens vattenånga. Den så kallade kritiska övermättnaden som för varje partikel definierar denna brytpunkt är känslig för förändringar i ytspänning. De senaste åren har det diskuterats huruvida ytaktiva kolföreningar som finns i små mängder i den atmosfäriska aerosolen påverkar molnbildningen genom att sänka ytspänningen vid aktivering. Ämnesgruppen i fråga definieras utifrån extraktionsprocessen och kallas för humic-like substances (HULIS), på grund av vissa likheter med den humussyra som återfinns i markvatten. I detta arbete har mätningar av dessa ämnen utförts både vid undermättnad och vid övermättnad. De två mätningarna har sedan teoretiskt sammankopplats för att uppskatta en eventuell sänkning av ytspänningen vid aktivering. Det visade sig att den isolerade HULIS-fraktionen var starkt ytaktiv, men att den i de flesta fall i atmosfären troligtvis inte har tillräckligt höga koncentrationer för att påverka den kritiska övermättnaden för en partikel nämnvärt. Vidare har ett nytt instrument för långtidsmätningar av partiklarnas hygroskopiska tillväxt utvecklats inom ramen för detta avhandlingsarbete; en ”Hygroscopic Tandem Mobility Differential Analyser” (H-TDMA). Instrumentet mäter diameterskillnaden på en torr partikel och när samma partikel konditionerats till 90% luftfuktighet. Genom att göra dessa mätningar över hela partikelstorleksfördelningen (i detta fall från 35 till 265 nanometer), får man en uppfattning inte bara om partiklarnas hygroskopicitet, dvs indirekt information rörande den direkta aerosoleffekten, men även om den så kallade externa blandningen – om det finns olika populationer av partiklar med samma diameter. Vidare kan man använda data för att prediktera antalet molndroppar för olika kritiska övermättnader. Tidigare har denna typ av mätningar varit begränsade till kortare mätkampanjer, på grund av instrumentens komplexitet. Vi har utvecklat ett ”stand-alone” instrument som under mer än två år kontinuerligt mätte den atmosfäriska aerosolen på en bakgrundsstation i norra Skåne, det längsta sammanhängande dataset som insamlats till dags dato. Parallellt har aerosolens storleksfördelning samt förmåga att aktivera till molndroppar vid olika övermättnad kontinuerligt mätts – den så kallade cloud condensation nuclei (CCN) koncentrationen. Dessa data presenteras i en artikel där säsongsvariabilitet såväl som dygnvariationer i partiklarnas hygroskopiska egenskaper diskuteras. Storleksfördelningsdata i kombination med H-TDMA data har använts för att prediktera CCN-koncentrationen vid olika årstider och övermättnader och detta har jämförts med data från en CCN-räknare för att validera metoden. Slutligen har H-TDMA data använts i kombination med storleksfördelningsdata för att indirekt uppskatta den effektiva övermättnaden i moln, något som har visat sig i det närmaste omöjligt att mäta direkt. Metoden bygger på antagandet att vissa aerosolpartiklar kraftigt ändrar sin fysiska och kemiska sammansättning under en enda molnpassage. Om en molndroppe torkar ut igen har absorption av vattenlösliga gaser i kombination med kemiska reaktioner i droppen gjort partikeln både större och mer hygroskopisk. Denna process lämnar ett ”fingeravtryck” i aerosolen och i denna avhandling presenteras en hypotes om hur man potentiellt kan tolka detta fingeravtryck. Metoden tillämpas på data från mätningar utförda inom detta arbete och denna analys gav att övermättnaden i låga moln i närheten av vår mätstation oftast är mellan 0.1 och 0.2%, något som stämmer relativt väl med tidigare antaganden. Det är värt att notera att just övermättnaden i moln är en kritisk parameter när det gäller att implementera modeller. Detta är den första föreslagna metoden som inte kräver mätningar in situ, det vill säga inuti eller strax under molnet. Den gemensamma nämnaren för innehållet i denna avhandling är att den presenterar data som i princip har två syften. Dels att öka kunskapen om atmosfäriska aerosolprocesser som vi bara är i början av att förstå. Dels att presentera data som är centrala för att i framtiden konstruera globala klimatmodeller som tar ökad hänsyn till aerosolens komplexitet och betydelse i atmosfären. Detta är sannolikt en förutsättning för att minska osäkerheten i framtida klimatmodeller så att politiska beslut kan fattas på så sakliga grunder som är möjligt.