AeroFrame och AeroSources: Avancerade beräkningar av atmosfärisk aerosolbildning

Forskningsprojekt som fokuserar på bildning av sekundära aerosolpartiklar från gaser ger nya verktyg för beskrivning av formationsdynamiken.

Bildning av små luftburna partiklar från kondenserbara gaser är en ständigt närvarande process i atmosfären. Dessa sekundära partiklar ger ett ansenligt bidrag till det totala aerosolantalet och påverkar molnbildning och klimat samt människors hälsa. Prekursorgaserna som kan bidra till partikelbildning, inklusive syror, baser och organiska föreningar som genom kemiska reaktioner kan ge upphov till nya partiklar, härstammar från både mänskliga och naturliga utsläpp som trafik, industri, jordbruk, vegetation och hav. Att minska osäkerheter relaterade till bildningsmekanismerna är en central fråga för bedömningar av aerosolkällor och effekter.

Moln på blå himmel
Aerosolpartiklar påverkar molnbildning genom att agera som kondensationskärnor för moln.

Att bygga modellrepresentationer är dock utmanande: Å ena sidan behövs detaljerade modeller för att förstå de komplexa fysikaliska och kemiska processer som bestämmer antalet bildade partiklar i olika miljöer. Å andra sidan är komplicerade och detaljerade scheman inte genomförbara för storskaliga klimat- och luftkvalitetsmodeller, som istället kräver förenklade men robusta tillämpningar.

Dessa behov tillgodoses av två projekt på SMHIs meteorologiska forskningsenhet:

  • AeroFrame: Explicit ramverk från molekylkluster till nanopartiklar för upplösning av bildningdynamik av atmosfäriska aerosoler, och
  • AeroSources: Nya generationens verktyg för robust kvantifiering av atmosfäriska nanopartikelkällor.

Projekten syftar till att bygga tillförlitliga och lättapplicerbara modellverktyg, med följande huvudmål:

  • Att skapa ett nytt ramverk för att explicit lösa bildningsdynamiken, från den initiala agglomereringen av gasmolekyler till tillväxten av de nybildade partiklarna genom kondensation av ångor på partikelytan. Detta behövs för kvantitativa bedömningar av nanopartikelkoncentrationer.
  • Att konstruera och utvärdera metoder för förenklad tillämpning av partikelbildningshastigheter i atmosfäriska modeller. Detta möjliggör enkel inkorporering av molekylära modellberäkningar i storskaliga modeller.
  • Att göra verktygen öppet tillgängliga för den atmosfäriska modelleringsgemenskapen.

För närvarande har centrala modellramverken publicerats och implementerats i till exempel trajektori- och klimatmodeller. Resultat visar på lovande ansatser för förenklad hantering av vanliga bildningsmekanismer genom t.ex. svavelsyra och ammoniak. Bildningsvägar som involverar spårgaser med lägre halter, som aminföreningar, innebär dock större osäkerhet när de hanteras på ett mycket förenklat sätt.

Om projekten

Projekten är aktiva 2020–2023. 

Finansiärer

Vetenskapsrådet och forskningsrådet Formas.

Projektledare

Tinja Olenius, SMHIs Meteorologiska forskningsenhet – Miljö och Klimat

Projektresultat

  • Nya studier ger förbättrad tillämpning av de kemiska mekanismerna bakom aerosolbildning i atmosfären.
  • Nya modellmetoder indikerar marina källor till sekundära aerosolpartiklar från svavelsyra, ammoniak och jod med potentiella effekter på moln.

Nya studier från SMHIs meteorologiska forskningsenhet tillsammans med Lunds universitet tillämpar nyligen utvecklade modellverktyg för att beskriva detaljerade aerosolbildningsprocesser i atmosfäriska modeller. Detta bidrar till att förstå rollerna för olika gaser och hur de påverkar mängden aerosoler i atmosfären och därmed klimatet.

Aerosolpartiklars roll i atmosfären

Aerosolpartiklar är en central beståndsdel i atmosfären och påverkar luftkvalitet, molnbildning och klimat. En betydande del av aerosolerna bildas från kondenserbara gaser, men det finns stora osäkerheter i förutsägelser om antalet sekundära aerosoler och de exakta kemiska mekanismerna för partikelformationen. Kombinationer av svavelsyra och basiska ämnen, främst ammoniak, är kända för att vara en central mekanism, men även andra gaser kan driva eller förstärka bildningsprocesserna. Gaserna släpps ut både genom mänskliga aktiviteter och naturliga källor: till exempel är trafik, industri och sjöfart stora källor till svavel, och ammoniak produceras av jordbruk och djur. Dessutom är hav och växtlighet naturliga källor till prekursorgaser.

Modellutveckling möjliggör beskrivning av fenomen på molekylär skala

Bildandet av nya luftburna partiklar från gaser sker genom att gasmolekyler kolliderar och klibbar ihop. Detta är en dynamisk och komplex molekylär process, där de små klustren av molekyler växer genom att ackumulera fler molekyler, men samtidigt också avdunstar. Dessa processer studeras aktivt inom beräkningskemi, vilket ger förutsägelser av partikelbildningshastigheter för olika kemiska ämnen. Sådana förutsägelser har dock inte utnyttjats i atmosfärsmodeller på grund av att det saknas verktyg för att införliva dem.

De nya modellverktygen som utvecklats vid SMHI gör det möjligt att på ett optimalt sätt överföra de molekylära modellförutsägelserna till atmosfäriska modellramverk. På så sätt kan bildningsprocesserna beskrivas på en detaljerad nivå och effekterna av gaskoncentrationer, temperatur och andra miljöförhållanden fångas upp.

Det är viktigt för klimatprognoserna att förstå hur aerosoler bildas i havet

I de praktiska tillämpningarna av verktygen studeras aerosolbildning både i detalj längs luftmassornas banor och på global nivå. De detaljerade fallstudierna fokuserar på marina sekundära aerosolkällor över Antarktis och subarktiska boreala miljöer i norra Europa. Resultaten tyder på att jod från havet kan ha en viktig roll i Antarktis tillsammans med svavelsyra och ammoniak från havet och fåglar, vilket är relevant för möjliga framtidsscenarier med mindre havsis och därmed mer jodutsläpp. De marina prekursorgaserna kan också öka aerosolnivåerna på den boreala kontinenten: när luft från havet transporteras över land ökar antalet aerosoler på grund av partikelbildning från de marina gaserna, framför allt svavel.

I den globala klimatmodellstudien implementerades detaljerade bildningsvägar för svavelsyra och ammoniak i en jordsystemmodell för att bedöma dess effekter på moln och strålning. Storskaliga modeller använder vanligtvis mycket enkla parameteriseringar för partikelbildning, men den nya metoden introducerar en mer robust beskrivning som ger bättre representation i olika typer av miljöer. Den nya metoden visade effekter framför allt över haven, där klimatet kyldes ned mer på grund av ökat antal aerosoler och molnbildning.

Polar- och havsmiljöer är viktiga för det globala klimatet, eftersom dessa renare miljöer är mer känsliga för förändringar i aerosolbelastningen och har betydande effekter på jordens strålningsbudget. Dessutom är det viktigt att förstå naturliga partikelkällor för att kunna fastställa effekterna av mänskliga aktiviteter. Med de nya modellverktyg som används kan effekterna av även andra partikelbildande gaser i olika miljöer studeras på ett liknande sätt.