En stor international kampagne i Arktis
35 forskere fra ni forskellige forskningsinstitutioner fra fem lande var samlet på Villum Research Station ved Station Nord i Nordgrønland i en måned for at undersøge betydningen af partikler og sod i luft og sne for det arktiske klima.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Henrik Skov1, Andreas Herber2, Andreas Massling1, Zhouxing Zou1, Marten Michiel in ‘t Veld1, Rupert Holzinger3, Holger Siebert4, Frank Stratmann4, Jens Vogtländer4, Tobias Donth5, Andre’ Ehrlich5, Marco Zanatta2, Atsushi Yoshida6, Makoto Koike6, Sho Ohata6, Oliver Eppers7, Ulrike Egerer4, Nora Fried2, Christine Pohl8, Gerit Birnbaum2, Esther Horvath2, Manuel Sellmann2, Jan Rohde2, Kenny Madsen1, Christel Christoffersen1, Evelyn Jäkel5, Bente Raven1, Bill Houghton9, John Marshall9, Kevin Riehl9, Cristina Sans-Coll2, Kristina Bär2 og Jørgen Skafte1
1 AU, Arctic Research Centre, iClimate, Afd. for Miljøkemi, Aarhus University, Danmark
2 Alfred Wegener Institute, Bremerhaven, Tyskland
3 IMAU, University of Utrecht, Holland
4 Tropos, Leibniz Institute for Tropospheric Research, Leipzig, Tyskland
5 LIM, Leipzig Institute for Meteorology, University of Leipzig, Tyskland
6 EPS, Department of Earth and Planetary Science, University of Tokyo, Japan
7 Max Plank Institute für Chemie Mainz, Tyskland
8 IUP, Institute for Environmental Physics, University of Bremen, Tyskland
9 Kenn Borek Air Lines Calgary, Canada
Formålet med målekampagnen er at undersøge sod og partiklers rolle i atmosfæren i det nordligste Arktis, i havis og sne for at se, hvordan det påvirker strålingsbalancen mellem indkommende sollys og sollys, der reflekteres tilbage ud mod rummet.
Sod er sort og derfor absorberer det sollys, når det er i luften, desuden sværter det sneen, når det afsættes fra atmosfæren til sne, ligeledes bidrager partikler og sod til, at snekrystaller i snelag på jorden vokser og dermed absorberer mere sollys og så sneen smelter hurtigere. En anden effekt er, at partiklerne danner skyer, der reflekterer sollys og absorberer udgående varmestråling.
Partiklers og sods usikre rolle for klimaet
Den menneskeskabte globale temperaturstigning og dens konsekvenser er synlige på hele jorden [1], men ingen andre steder er den så voldsom som i Arktis [1,2].
På figur 1 ses den observerede temperaturstigning fordelt over hele jorden de sidste 50 år. Som gennemsnit for verden er temperaturen steget ca. 1 grad, men i Arktis er den steget mere end 2,4 grader. Det er det, som er døbt den arktiske forstærkning. Partikler og sod spiller en vigtig rolle, men deres rolle er også forbundet med stor usikkerhed [1]. Vi har godt nok fået meget mere viden [3-5], men der er som sagt mange uklarheder om, hvor stor betydning partikler og sod har.
[FAKTABOKS1 begynd:]
Faktaboks 1
Sod
Sod dannes ved ufuldstændig forbrænding af organisk materiale. Vi skelner mellem sod, der er dannet fra ”nyt” biologisk materiale, dels fra markafbrænding, naturlige brande og ved brug af træ til opvarmning på den ene side (biogent sod), og så afbrænding af fossilt brændstof i bl.a. trafiksektoren og til energiproduktion på den anden side (fossilt sod).
Sod består som udgangspunkt af lange kæder af kulstof, men det bliver oxideret på overfladen ved fotooxidation i atmosfæren, hvorved det ”klumper” sammen og går fra at have en hydrofob overflade til at have en hydrofil overflade, hvor der kan kondensere vand. Se billede 1.
[FAKTABOKS1 slut:]
Lang transport af partikler og sod
Partikler og sod, der udsendes direkte ved forbrænding, er generelt små <100 nm (ultrafine partikler). Sod består af hydrofobt (vandskyende kulstofkæder, se faktaboks 1). Disse små partikler oxideres og koagulerer med andre partikler, og allerede inden for få timer vokser de og ændrer sig fra at være hydrofobe til at være hydrofile, hvorved de kan absorbere vand. De kan herved vokse, til de er større end 0,2 µm i diameter. Partikler, der er mellem 0,2 og 0,8 µm (akkumulerings-størrelsesfraktion), kan transporteres over flere tusind kilometer, f.eks. fra vores breddegrader til Arktis.
Ultrafine partikler opfører sig næsten som gasser og afsættes til jordoverfladen tæt ved kilden enten ved tørdeposition eller vaskes ud med nedbør. Partikler større end 0,8 µm fjernes i stigende grad ved gravitation. Partikler mellem 0,2 og 0,8 µm størrelsesfraktion absorberer eller spreder sollys mest effektivt og påvirker dermed jordens strålingsbalance og klima. Desuden kan disse partikler danne skydråber, og de har derfor også en effekt på skylaget, der er meget vigtig for jordens klima.
PAMARCMiP-kampagnen
(Polar Airborne Measurements and Arctic Regional Climate Model Simulation Project) på Villum Research Station ved Station Nord i Nordgrønland 2018.
For at få afgørende ny forståelse af partikler og sods betydning i atmosfæren var 35 forskere og teknikere taget til Villum Research Station i Nordgrønland, se figur 2. Kampagnen blev styret af Andreas Herber fra Alfred Wegener Institut og Henrik Skov og Andreas Massling fra Aarhus Universitet. Der var deltagere fra forskningsinstitutioner i Tyskland, Japan, Holland, Canada og Danmark og de kom fra i alt ni forskellige forskningsinstitutioner.
Der var mange forskellige forskningsaktiviteter og i det kommende år vil målingerne blive tolket, prøver analyseret og resultater sammenstilles. I tabel 1 kan man se, hvilke instrumenter, der blev benyttet, hvilke parametre der måles, samt hvilken måleplatform, der er anvendt.
Således deltog Alfred Wegener bl.a. med et DC 3 forskningsfly spækket med udstyr til måling af både fysiske og kemiske egenskaber af partikler, overfladeegenskaber såsom sne-, istykkelse, højde og rughed af landområder.
Tropos i Leipzig deltog med en tøjret ballon, hvorfra der blev målt vertikale profiler af meteorologi op til 1.000 m. Vi havde et lille apparat med, der kan måle sodkoncentrationen i luft.
AU deltog mest med aktiviteter på Villum Research Station. Vi baserede vores deltagelse på vores moniteringsaktiviteter (se http://www.Villumresearchstation.dk) finansieret via Dancea-midler. Herudover havde vi instrumenter, der matchede instrumenterne fra de andre grupper. Således blev der målt CO på flyet og på landjorden. Vi målte oxiderede flygtige organiske forbindelser med en Proton Transfer Reaction time of Flight Mass Spectrometer (PTR-tof-MS, Ionicon) med tidslig opløsning på fem sekunder.
Målekampagnen var en stor succes og vi fik lavet rigtigt mange vigtige målinger og resultater. I de kommende måneder arbejder vi intenst med at analysere prøver, kvalitetstjekke målinger og tolke de opnåede resultater. I de næste numre af Dansk Kemi vil vi beskrive nogle af de resultater, der kommer ud af kampagnen.
Taksigelse
Energistyrelsen og Miljøstyrelsen takkes for finansiel støtte til Aarhus Universitet via Dancea-midlerne. Villum Fonden takkes for den store bevilling, der har gjort det muligt at bygge Villum Research Station.
Referencer
1. IPCC IPCC Fifth assessment report; 2013, 2013.
2. Stendel, M.; Christensen, J.H.; Petersen, D., Arctic climate and climate change with a focus on Greenland. In Advances in Ecological Research, Vol 40: High-Arctic Ecosystem Dynamics in a Changing Climate, Meltofte, H.; Christensen, T.R.; Elberling, B.; Forchhammer, M.C.; Rasch, M., Eds. Elsevier Academic Press Inc: San Diego, 2008; Vol. 40, pp 13-43.
3. Massling, A.; Nielsen, I.E.; Kristensen, D.; Christensen, J.H.; Sorensen, L.L.; Jensen, B.; Nguyen, Q.T.; Nojgaard, J.K.; Glasius, M.; Skov, H., Atmospheric black carbon and sulfate concentrations in Northeast Greenland. Atmos. Chem. Phys. 2015, 15 (16), 9681-9692.
4. Nguyen, Q.T.; Skov, H.; Sorensen, L.L.; Jensen, B.J.; Grube, A.G.; Massling, A.; Glasius, M.; Nojgaard, J.K., Source apportionment of particles at Station Nord, North East Greenland during 2008-2010 using COPREM and PMF analysis. Atmos. Chem. Phys. 2013, 13 (1), 35-49.
5. Quinn, P.K.; Stohl, A.; Arneth, A.; Berntsen, T.; Burchart, J.F.; Christensen, J.; Flanner, M.; Kupiainen, K.; Lihavainen, H.; Shepherd, M.; Shevchenko, V.; Skov, H.; Vestreng, V. AMAP, 2011. The Impact of Black Carbon on Arctic Climate; 2011, 2011; p 128 pp.