Aminer – den saknade länken för bildning av nya atmosfäriska aerosolpartiklar

The CLOUD Chamber at the CERN Proton Synchrotron © 2009 CERN

Atmosfäriska aerosolpartiklar kyler klimatet genom att reflektera solljus och genom att bilda molndroppar som är fler i antal men mindre i storlek – vilket gör moln ljusare och förlänger deras livstid. Den ökade mängden aerosol i atmosfären som orsakas av mänskliga aktiviteter har till en stor del kompenserat för en stor del av den uppvärmning som orsakas av växthusgaser.Nuvarande beräkningar visar att ungefär hälften av alla molndroppar bildas på aerosolpartiklarna som producerades i atmosfären som nya partiklar via ”nukliering” – det vill säga en sammankoppling av små koncentrationer av atmosfäriska molekyler – i stället för att släppas ut direkt i atmosfären som färdiga partiklar.

Aminer som nuklieringsångor
Svavelsyra tros vara den viktigaste ångan som är ansvarig för nukliering.
– Det är känt sedan länge att svavelsyra är en viktig komponent i bildandet av nya partiklar i den lägre atmosfären. Dock är frågan vad som mer kan förstärka denna process. Först trodde vi det var ammoniak men det kan inte förklara nuklieringshastigheterna som observeras, säger Ilona Riipinen, docent vid Institutionen för tillämpad miljövetenskap och Bolincentret för klimatforskning, som är medförfattare till studien.

För att besvara denna fråga vände sig forskarna till aminer som är kända för att bilda starka kemiska bindningar med svavelsyra. Aminer är atmosfäriska ångor nära knutna till ammoniak och som främst härrör från djurhållning men även avges från haven, jorden och från biomassförbränning.

­– Atmosfären är ett oxiderande medium som producerar syror i gasfas. Syror behöver baser, såsom aminer, för att stabiliseras. Det är teoretiskt förutsägbart att om aminer finns närvarande i tillräckligt stora mängder skulle de kunna stabilisera svavelsyra men det har inte tidigare verifierats experimentellt. Aminer kan också förklara varför nukliering ofta observeras i den lägre atmosfären, säger Ilona Riipinen.

CLOUD experimentet
För att testa denna hypotes experimentellt använde forskarna CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) kammare vid CERN:s Proton Synchrotron. CLOUD är utformad för att studera effekten av kosmisk strålning på aerosoler, molndropparna och ispartiklar under exakt kontrollerade förhållanden av temperatur, luftfuktighet och koncentration av nuklieringsångor. Med hjälp av de allra senaste av tillgängliga instrument som är anslutna till CLOUD, mätte forskarna bildningen av partiklar orsakade av svavelsyra och små koncentrationer av dimetylamin. Sedan, med hjälp av en pionstråle från CERN:s Proton Synchrotron, fann forskarna att den kosmiska strålningen från rymden som bombarderar atmosfären har försumbar påverkan på bildandet av dessa aerosolpartiklarna.

– Vi observerade nuklieringshastigheter som är många storleksordningar större än det vi tidigare observerat i laboratorium eller erhållit via teoretiska beräkningar. För första gången rapporterar vi nuklieringshastigheter under kontrollerade förhållanden som är av liknande storleksordning som de som observerats i atmosfären, säger Ilona Riipinen.

Att komma närmare till att förstå klimatet
I den första delen av den femte klimatrapporten som nyligen presenterades i Stockholm anser IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) att den ökade mängden aerosol i atmosfären från mänskliga aktiviteter bidrar till den största osäkerheten i strålningsdriving av klimatet idag. I detta avseende, med tanke på deras senaste rön, är författarna övertygade om att ”osäkerheten är ännu större än man tidigare trott, eftersom extremt låga aminutsläpp ökar nukliering av svavelsyrapartiklar.” Detta innebär, enligt författarna, att naturliga och antropogena källor av aminer kan påverka klimatet.

– Klimatmodellerna i IPCC:s rapport inkluderar inte aminer eller deras effekter vilket är en källa till ökad osäkerhet. Nukliering är en viktig källa av aerosoler och därför är det viktigt att förstå de mekanismer som är inblandade så att vi rätt kan representera denna process i våra klimatmodeller, säger Ilona Riipinen.

Men Ilona Riipinen påpekar att resultaten inte bevisar att svavelsyran-aminer mekanismen är den enda nuklieringsmekanism i atmosfären.

– Aminer är verkligen relevant på platser där det finns tillräckligt många av dem, men det kan också finnas andra molekyler i andra typer av miljöer som deltar i nukliering, säger Ilona Riipinen.