Jordens jetström hjälper till att skapa molns frön

Forskare har kommit på en ny källa för molnfrön. När jordens atmosfärs stratosfäriska skikt dyker en tå ner i den underliggande troposfären blir den resulterande kemiska blandningen en bördig miljö där små nya partiklar, inklusive de mikroskopiska aerosoler kring vilka moln börjar sammanfoga sig, kan bildas.

Data insamlade från fyra flygningar med NASA-flygplan i olika regioner av norra halvklotet år 2016 och 2017 bekräftade att denna mekanism, kallad stratosfärisk luftintrång, inte bara är en källa till nya partiklar utan också kan vara den mest produktiva platsen för dessa partiklar på jorden, rapporterar Jiaoshi Zhang, en aerosolforskare vid Washington University i St. Louis, och kollegor i Science den 12 juli.

Tidigare har forskare trott att de flesta nya partiklar bildas i atmosfärens regioner där moln flyter uppåt in i den övre troposfären och löses upp. När molnen där regnar ut, tas eventuella befintliga partiklar bort med regnvattnet. Det som lämnas kvar i dessa "molnutflyttnings" -regioner är en tom duk, i princip partikelfri, så att gasmolekylerna inte har något att fästa sig vid. Istället bildar de nya partiklar.

Men de luftburna observationerna antyder att stratosfäriska luftintrång är ännu mer produktiva när det gäller partikelbildning. Turbulens i atmosfären orsakad av jetströmmen, en snabbt rörlig luftström, kan få fingrar av stratosfärisk luft att slå ner och krulla sig in i troposfären nedanför.

De två atmosfäriska skikten har mycket olika kemisk sammansättning, och där dessa luftmassor blandas genererar de mycket produktiva partikelfabriker, säger studiens medförfattare Jian Wang, en aerosolforskare också vid Washington University i St. Louis. Stratosfären är kall och rik på ozon, medan troposfären är varmare, fuktigare och innehåller en mängd molekyler som svaveldioxid. Katalyserad av solsken och vatten kan den kemiska reaktionen av dessa luftmassor generera en mängd små partiklar, inklusive molnsädningsulfater.

Exakt vilka och hur många partiklar som bildas genom dessa stratosfäriska luftintrång är ett ämne för framtida arbete, säger Wang. "Vi förstår inte mekanismerna i detalj. Vi vet från data att ... du behöver solsken, hög ozon och fuktighet" för att producera högt reaktiva molekyler som kallas OH-radikaler. Dessa molekyler interagerar ivrigt med andra gaser i atmosfären. Så det pågår förmodligen många olika kemiska reaktioner i dessa regioner, vilket producerar en mängd nya molekyler och partiklar.

Vågheten hos jetströmmen kan leda till stratosfäriska luftintrång (illustrerat nedan), där den ozonrika stratosfären doppas ner i den vattenrika troposfären. Troposfären innehåller också en mängd gasformiga molekyler som svaveldioxid, som avges av fossila bränslen och vulkaner. De kemiska reaktionerna mellan de två skikten, katalyserade av solljus och vattenånga, genererar föregångarna till fina aerosolpartiklar, som svavelsyra. Tidigare forskning föreslog att den primära mekanismen för ny partikelbildning i atmosfären var "molnutflödes" -regioner, där molnen bryts upp högt i troposfären.

Trots dessa osäkerheter tyder teamets analys av frekvensen och produktiviteten hos stratosfäriska luftintrång, jämfört med molnutflödeshändelser, på att intrången kan vara en större källa till nya partiklar, särskilt i Jordens medelbreda regioner. Och klimatförändringar förväntas intensifiera stratosfärisk cirkulation runt jorden, vilket i sin tur skulle kunna öka hur ofta stratosfären sticker in i troposfären i framtiden. Det antyder att denna mekanism kan bli ännu viktigare för bildandet av nya partiklar, säger Wang.

Dessa fynd belyser en viktig källa till ny partikelbildning som länge har förbisetts men som visar sig förekomma "allmänt och frekvent" i atmosfären, säger Yuanlong Huang, en atmosfärisk aerosolkemist vid Eastern Institute for Advanced Study i Ningbo, Kina, som inte var involverad i den nya studien. "Det är en mekanism som ännu inte har inkluderats i nuvarande modeller för jordens atmosfäriska system."

Och en sådan stor, tidigare oanad källa till nya partiklar kan i sin tur innebära att genereringen av dessa partiklar spelar en större roll i hur den inkommande solstrålningen fördelas på jorden - inklusive hur mycket som når planetens yta jämfört med hur mycket som absorberas av aerosoler och moln högt upp i atmosfären - än vad forskare tidigare har trott.