Wolkvorming verandert met de ‘verouderingstijd’. Bolvormige deeltjes fungeren heel anders dan roetaggregaten, de werkelijke vorm die roetdeeltjes in de atmosfeer aannemen (afb: Alexei Khalizov et al./Environmental science & Technology)

Miljarden roetdeeltjes komen elke seconde de atmosfeer van de aarde binnen, goed voor zo’n 5,8 miljoen ton per jaar. Deze deeltjes hebben een klimaatop-warmend effect dat eerder werd geschat op bijna een derde van dat van koolstofdi-oxide. Nu zeggen onderzoekers dat de klimaatveranderende eigenschappen van deze deeltjes in de atmosfeer al binnen enkele uren een opwarmend effect in plaats van dagen zoals eerder werd aangenomen.
Het onderzoek heeft de verrassende snelheid onthuld waarmee roetdeeltjes, andere stoffen en waterdamp opnemen nadat ze in de atmosfeer zijn vrijgekomen. Volgens de onderzoekers zou deze snelle transformatie van de bodem in de lucht – bekend als ‘atmosferische veroudering’ – kunnen betekenen dat het effect ervan op het weer, klimaat en de luchtkwaliteit sneller plaatsvindt en op manieren die tot nu toe niet volledig zijn vastgelegd in de huidige atmosferische modellen.
“Roet is een unieke aerosol die zonlicht extreem goed absorbeert, maar het nauwelijks verstrooit. Daardoor is het vanaf het moment van uitstoot een krachtige klimaatagens”, aldus Alexei Khalizov, hoogleraar scheikunde aan het NJIT en hoofdauteur van de studie.
“Wat ons verraste, is hoe snel roet verandert nadat het de lucht is binnengekomen, waardoor het vermogen om de atmosfeer te verwarmen of af te koelen drastisch verandert. Onze resultaten suggereren dat het voorspellen van de klimaateffect van roet veel complexer is dan eerder werd gedacht.”
Tot voor kort, zegt Khalizov, was er nog veel onbekend over hoe snel roetdeeltjes van vorm en chemie veranderen wanneer ze in de lucht terechtkomen en hoe deze veranderingen hun vermogen om zonne-energie vast te houden beïnvloeden (stralingsreflectie).

Volgens Khalizov krijgen roetdeeltjes snel een chemische deklaag door capillaire condensatie, een proces waarbij kleine spleetjes op onregelmatige oppervlakken van roetdeeltjes chemische dampen aanzuigen. Naarmate de luchtvochtigheid toeneemt, helpen de chemicaliën die zich op roetdeeltjes verzamelen om water op te nemen, nu door capillaire condensatie van waterdamp. Deze wateropname verandert de vorm en het gedrag van de deeltjes. Deze gehydrateerde deeltjes kunnen ook wolkenvorming bevorderen, zonlicht reflecteren en de atmosfeer afkoelen.

“Tot nu toe behandelden modellen roetdeeltjes als simpele bolletjes, maar in werkelijkheid zijn roetdeeltjes aggregaten, klonten van vele kleinere deeltjes. Door de kantachtige vorm kan roet chemicaliën veel sneller opnemen dan eerder werd gedacht”, legt Khalizov uit. “Dat betekent dat de klimaateigenschappen van roet sneller veranderen, wat zowel de opwarmende als de verkoelende effecten, en ook de duur ervan, beïnvloedt.”
In atmosfeerlab van NJIT gebruikten de onderzoekers een ​​speciaal gebouwd aerosolsysteem om te bestuderen hoe roetdeeltjes veranderen nadat ze de atmosfeer zijn binnengekomen, met de focus op deeltjes van ongeveer 240 nanometer (gemiddelde grootte van atmosferisch roet). Ze stelden deze deeltjes bloot aan sporengassen zoals zwavelzuur en oxidatieproducten van vluchtige organische stoffen (VOS) onder wisselende luchtvochtigheden om de werkelijke chemische en vochtcondities in de atmosfeer na te bootsen.

Rekenmodel

Als aanvulling op hun experimenten werkten de onderzoekers met materiaalraakvlakonderzoekers van het NJIT, onder leiding van professor Gennady Gor, om een ​​nieuw rekenmodel te ontwikkelen om te simuleren hoe chemische dampen condenseren op roet, waarbij vloeistofachtige deklagen ontstaan ​​die het vermogen van de deeltjes om vocht aan te trekken en wolken te vormen vergroten. Dat zijn belangrijke factoren voor hun klimaateffect.

Aangemoedigd door het succes van het model bij het beschrijven van laboratoriumresultaten, breidden ze hun simulaties vervolgens uit naar werkelijke atmosferische omstandigheden, in samenwerking met Nicole Riemer van de universiteit van Illinois Urbana-Champaign.
De resultaten toonden aan dat roetdeeltjes binnen tientallen minuten coatings beginnen te vormen en van vorm veranderen, waarbij bijna 80% van de deeltjes na enkele uren ‘bewerkt’ is. Ter vergelijking: in simulaties waarbij roetdeeltjes bolvormig waren, werd slechts 20% ‘bewerkt’ en dat duurde (dus) veel langer. Deze snelle transformatie maakt de deeltjes compacter en verhoogt hun zonlichtabsorptie, wat hun verwarmende effect versterkt, stelt Khalizov.
Volgens hem kunnen de inzichten van de studie in de snelle atmosferische veroudering van roet leiden tot nauwkeuriger voorspellingen van de milieueffecten. Rekenodellen te helpen bij het voorspellen hoe roetdeeltjes in de loop van de tijd veranderen en het klimaat en de luchtkwaliteit beïnvloeden.

Het team is nu van plan te onderzoeken hoe deze veranderingen de levensduur van roet in de atmosfeer en de bredere effecten ervan op weerpatronen en de volksgezondheid beïnvloeden.

Bron: phys.org