Dataassimilering och klimatpåverkan av aerosolpartiklar

Kunskap om aerosoler är av stor betydelse då dessa partiklar har negativ inverkan på människors hälsa. Dessutom spelar de en viktig roll för jordens globala klimat, då de förskjuter balansen av solstrålning som reflekteras av atmosfären och sol- och värmestrålning som absorberas i atmosfären.

Partiklarnas interaktion med solljus och värmestrålning är beroende av deras inre struktur, kemiska sammansättning, storlek och koncentration som, i sin tur, bestäms av de processer som ger upphov till partiklar i atmosfären. Dessa processer är på ett komplicerat sätt beroende av utsläpp, vindtransport, kemisk omvandling, tillväxtprocesser, och torr- eller våtavsättning.

Projektets frågeställningar

Projektet syftar till att undersöka kopplingen mellan aerosolpartiklarnas kemiska, fysikaliska och optiska egenskaper. De två viktigaste frågeställningarna i detta sammanhang är:

  • Hur kan vi tolka optiska fjärranalysobservationer av aerosoler och vad kan vi lära av dem vad gäller aerosolernas sammansättning och struktur? Det handlar alltså om problemet att invertera, dvs tolka, optiska observationer med avseende på aerosolkemiska och fysikaliska egenskaper.
  • Vilken effekt har aerosoler med komplicerad inre struktur på atmosfärens strålningsbalans? Denna fråga är viktig för att kunna beräkna aerosolernas direkta effekt på klimatet.

Partiklarnas inre struktur och optiska egenskaper

Huvudproblemet är att kontinentala aerosoler ofta har en komplicerad inre struktur, bestående av olika heterogent blandade kemiska ämnen, och att partiklarnas optiska egenskaper är mycket känsliga för deras struktur. Projektets vetenskapliga målsättning är att utveckla sofistikerade, men ändå beräkningseffektiva, optiska modeller som kan användas i både invers modellering av fjärranalysobservationer och klimatmodellering.

Projektet finansieras av Vetenskapsrådet, vilket är Sveriges största grundforskningsfinansiär. Grundforskning är ett systematiskt och metodiskt sökande efter ny kunskap och nya ideér utan någon bestämd tillämpning i sikte.

Strålningseffekt av sotaerosoler
Strålningseffekt av sotaerosoler beräknat med en enkel modell som representerar partiklar som homogena kulor (röd linje), och med en avancerad modell för att lösa Maxwell ekvationer för fraktala aggregatpartiklar (som i figuren i högerspalten). Resultaten av de två modellerna skiljer sig åt med en faktor 2. Modellberäkningar baserade på kulor, som är vanliga i klimatmodeller, underskattar således uppvärmningseffekten av sotaerosoler.
Förstora Bild
Exempel på resultat
Beräkningsresultat av optiska modeller kopplat till MATCH beräkningar. Bilden visar aerosolernas masskoncentration (överst t v), extinktionskoefficient E (överst t h), enkelspridningsalbedo a (nederst t v) och asymmetriparameter g (nederst t h). Kontinentala luftföroreningar reducerar både enkelspridningsalbedo och asymmetriparametern.
Förstora Bild

Publikationer inom projektet

Vetenskapligt granskade artiklar

Nousiainen, T., H. Lindqvist, and M. Kahnert, 2011: “ Can particle shape information be retrieved from light scattering observations using spheroidal model particles?”, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2011 (submitted).

Merikallio, S., H. Lindqvist, T. Nousiainen, and M. Kahnert, 2011: “Modelling light scattering by mineral dust using spheroids: assessment of applicability”, Atmos. Chem. Phys. Discuss. 11, 3977-4016, 2011.

Kahnert, M., T. Nousiainen, and P. Mauno,  2011: “On the impact of non-sphericity and small-scale surface roughness on the optical properties of hematite aerosols”, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2011 (accepted).

Aan de Brugh, J. M. J. , M. Schaap, E. Vignati, F. Dentener, M. Kahnert, M. Sofiev, V. Huijnen, and M. C. Krol, 2011: “The European aerosol budget in 2006”, Atmos. Chem. Phys., 11, 1117-1139, 2011.

Kahnert, M., 2010:  “Numerically exact computation of the optical properties of light absorbing carbon aggregates for wavelengths 200 nm – 12.2 µm”, Atmos. Chem. Phys. 10, 8319-8329, 2010.

Kahnert, M., 2010: “On the discrepancy between modeled and measured mass absorption cross sections of light absorbing carbon aerosols”, Aerosol Sci. Technol. 44, 453-460, 2010.

Kahnert, M., 2010: “Modelling the optical and radiative properties of freshly emitted light absorbing carbon within an atmospheric chemical transport model”, Atmos. Chem. Phys. 10, 1403-1416, 2010.

Kahnert, M., 2010: “Electromagnetic scattering by nonspherical particles: Recent advances”, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 111, 1788-1790, 2010.

Kahnert, M., 2009: “On the observability of chemical and physical aerosol properties by optical observations: Inverse modelling with variational data assimilation”, Tellus 61B, 747-755, 2009.

Conference proceedings

Kahnert, M., 2010: “Black carbon aerosol optics in chemical data assimilation and climate forcing studies”, in: K. Muinonen, A. Penttilä, H. Lindqvist, T. Nousiainen, and G. Videen (Eds.), Proceedings of the Twelfth International Conference on Electromagnetic Scattering, pp. 90-93, University of Helsinki, 2010.

Mauno, P., T. Nousiainen, G. M. McFarquhar, M. Timlin, M. Kahnert, and P. Räisänen, 2010: “Modelling of radiative impact of a cirrus cloud based on microphysical in-situ measurements”, in: K. Muinonen, A. Penttilä, H. Lindqvist, T. Nousiainen, and G. Videen (Eds.), Proceedings of the Twelfth International Conference on Electromagnetic Scattering, pp. 154-157, University of Helsinki, 2010.