Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish I atmosfären finns mikroskopiskt små luftburna partiklar. Till skillnad från makroskopiska partiklar sedimenterar dessa så kallade ’aerosol-partiklar’ så sakta att de följer med den omgivande luftens rörelser. I atmosfärens nedre luftlager (troposfären) avlägsnas aerosolpartiklarna från atmosfären av nederbörd. Partiklarna deponerar därför inom någon vecka. Ovanför troposfären uppstår däremot ingen nederbördsbildning. I detta luftlager (stratosfären) följer partiklarna därför med luftens rörelser. Eftersom lufttransporten ner till troposfären är långsam kan aerosolpartiklar som nått stratosfären stanna kvar i luften i flera år. Ett flygplan, tre satelliter och en partikelaccelerator I denna avhandling presenteras forskning kring förekomsten av aerosolpartiklar i främst stratosfären och övre troposfären, deras beståndsdelar, geografiska och vertikala spridning, variationer över tiden, samt deras påverkan på Jordens klimat. Studierna baseras på data från aerosolprov och -mätningar tagna (mellan år 1999-2013 ) på 10- 12 km höjd med ett passerarflygplan inom forskningskonsortiet CARIBIC, samt data ifrån tre satelliter (CALIPSO, Terra och Aqua). Satelliterna använder olika optiska mätmetoder för att undersöka strålningsegenskaperna för partiklar och moln, medan en annan optisk metod via flygplansmätning genererar data över partiklarnas storlek. I ett laboratorium bombarderas proverna från flygplansmätningar med protoner accelererade med en partikelaccelerator för att även mäta aerosolpartiklarnas kemiska beståndsdelar och masskoncentrationer utav dessa. Aerosolpartiklarnas sammansättning Partiklar i stratosfären antas vanligtvis bestå utav svavelsyra och vatten. Därutöver innehåller partiklarna stora mängder kolmaterial och diverse föreningar med metaller. En ny upptäckt är att kolfraktionen i stratosfäriska partiklar huvudsakligen är organisk (ej sot). Svavelsyran bildas främst från karbonylsulfid och svaveldioxid. Vid förbränning av fossila bränslen emitteras stora mängder svaveldioxid, varav det mesta deponerar på marken som surt regn. Karbonylsulfid, som huvudsakligen har naturliga källor, kan däremot överleva den långsamma transporten upp till stratosfären, där den bryts ner av UV-ljus och bildar svavelsyrapartiklar. Kraftiga vulkanutbrott kan dock transportera vulkanisk svaveldioxid upp till 10-tals km höjd. Vulkaniska aerosolpartiklar och deras klimatpåverkan Aerosolpartiklar påverkar Jordens klimat på flera sätt. Genom att reflektera tillbaka solens strålning ut i rymden hindrar partiklarna solljuset från att värma upp Jordens yta, vilket ger en kylande effekt på klimatet. Under de senaste 10 åren har mängden partiklar i stratosfären varierat mycket, främst pga. flera vulkanutbrott. De vulkaniska partiklarna har under denna period kylt klimatet och därmed bidragit till att dölja en del av den globala uppvärmningen som människans växthusgasutsläpp genererar. Vulkanutbrott kan transportera stora mängder partiklar och partikelbildande gaser till hög höjd. Når det vulkaniska molnet stratosfären blir partiklarnas kylande effekt långvarig. Efter vulkanen Pinatubos kraftiga utbrott i Filipinerna år 1991 sjönk Jordens medeltemperatur med cirka 0,5°C under det efterföljande året. Trots att 40% av stratosfärens luft ligger under 15 km höjd inkluderas vanligtvis inte partiklarna i denna luftmassa (lägsta stratosfären) vid uppskattningar av klimatpåverkan från vulkanism. I denna avhandling presenteras forskning som visar att lägsta stratosfären var påverkad av vulkaniska partiklar under större delen av perioden 2005-2013. Mellan vintern 2008 och sommaren 2012 gav partiklar i lägsta stratosfären en klimatpåverkan som motsvarar cirka 30% utav den från övriga stratosfärens partiklar. Deras kylande effekt bidrog därmed till att motverka den globala uppvärmningen. Vulkanismen kan också ha påverkat molnen, eftersom vattenånga behöver ytor att kondensera på för att bilda moln. I stratosfären bildar vattenånga inte moln, men i troposfären sker all molnbildning i samverkan med aerosolpartiklar. I den kalla övre troposfären består molnen utav små iskristaller. Dessa så kallade cirrusmoln isolerar och värmer Jorden genom att stänga inne en andel av dess värmestrålning. En ny upptäckt är att nedtransport av luft ifrån stratosfären starkt påverkar förekomsten av partiklar i övre troposfären. Samtidiga variationer i cirrusmolnens reflektion tyder på att partiklarna har påverkat dem. Från 2001 till 2011 sjönk reflektansen för cirrusmolnen på norra halvklotet med 8%, vilket sannolikt gett en kylande effekt på Jordens klimat. Störst var förändringen över Europa, Atlanten och Nordamerika, områden med tät flygtrafik. En möjlig förklaring till cirrusmolnens förändrade egenskaper kan vara att partiklar i övre troposfären (t.ex. sot ifrån flygplanen) kan bli sämre på att binda vattenånga när de blandas med de vulkaniska partiklarna. Idag vet vi inte hur stor påverkan vulkaniska partiklar har på cirrusmolnen. Kanske kan ytterligare flyplansmätningar och satellitobservationer kombineras med modellberäkningar för att ge klarhet i detta.