Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate
Författare
Summary, in Swedish
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.
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.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2016
Språk
Engelska
Fulltext
- Available as PDF - 16 MB
- Download statistics
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Ämne
- Climate Research
Nyckelord
- lowermost stratosphere
- volcanic aerosol
- upper troposphere
- sulfurous aerosol
- carbonaceous aerosol
- ion beam analysis
- volcanism
- indirect effect
- radiative forcing
- direct effect
- Stratosphere
- Fysicumarkivet A:2016:Friberg
Status
Published
Forskningsgrupp
- Aerosol, Nuclear Physics
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7623-592-8
Försvarsdatum
26 februari 2016
Försvarstid
09:15
Försvarsplats
Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University, Faculty of Engineering
Opponent
- Veli-Matti Kerminen (Professor)