Nieuw mechanisme ontdekt dat wolken doet groeien – en het betekent slecht nieuws voor ons klimaat

Isopix

Tijdens het bestuderen van de atmosferische chemie die wolken produceert, hebben onderzoekers een onverwacht krachtig natuurlijk proces ontdekt dat die wolken doet groeien. En aangezien de aarde blijft opwarmen door de stijgende niveaus van broeikasgassen, zou dit proces een belangrijk nieuw mechanisme kunnen zijn om het verlies van zee-ijs aan de polen te versnellen – een mechanisme dat momenteel in geen enkel mondiaal klimaatmodel is opgenomen.

De ontdekking kwam voort uit studies van aerosolen: de minuscule deeltjes die in de lucht zweven en waarop waterdamp condenseert om wolken te vormen. Zoals deze maand beschreven in een paper in Science, hebben onderzoekers een krachtige maar over het hoofd geziene bron van wolkenvormende aerosolen in ongerepte, afgelegen omgevingen geïdentificeerd: jodium.

De volledige klimaatimpact van dit mechanisme moet nog zorgvuldig worden beoordeeld, maar kleine wijzigingen in het gedrag van aerosolen kunnen enorme gevolgen hebben. Een van de gevolgen zal zeker zijn dat het smelten in het noordpoolgebied wordt versneld, gelooft coauteur van de studie Jasper Kirkby. Kirkby is een experimenteel fysicus bij de European Organization for Nuclear Research (CERN), waar hij het CLOUD-experiment leidt (Cosmics Leaving Outdoor Droplets).

Net zoals dauw condenseert op grassprietjes, kan waterdamp in de atmosfeer rond aerosolen condenseren om wolken te creëren. Twee soorten aerosolen kunnen fungeren als wolkcondensatiekernen, of CCN’s: primaire aerosolen, die minuscule deeltjes van bijna elke soort kunnen zijn (zoals bacteriën, zand, roet of zeezoutnevel); en secundaire aerosolen. Dat zijn sporengassen die deelnemen aan een proces dat bekend staat als ‘nieuwe deeltjesvorming’. Als de atmosferische omstandigheden goed zijn, kunnen zonlicht en ozon een kettingreactie veroorzaken die ervoor zorgt dat secundaire aerosolen samenklonteren en snel groeien tot een deeltje met meer dan een miljoen moleculen.

Toch zijn details over welke chemicaliën uiteindelijk CCN’s worden – en hoe dat precies gebeurt – grotendeels een mysterie gebleven, ook al wordt aangenomen dat de deeltjes die zijn samengesteld uit secundaire aerosolen meer dan de helft van alle CCN’s uitmaken. Wolken met meer CCN’s hebben de neiging om langer mee te gaan, breder en meer reflecterend te zijn; en dat zijn kenmerken die de temperatuur op aarde tastbaar kunnen veranderen.

Jodium in de CLOUD-kamer op CERN

Wetenschappers hebben dit nieuwe deeltjesvormingsproces waargenomen met gassen zoals zwavelzuur (vooral in stedelijke gebieden, waar die chemische stof overvloedig aanwezig is) en veronderstellen dat smog grotendeels ontstaat als gevolg van nieuwe deeltjesvorming. Maar recente metingen hebben aangetoond dat dit proces niet beperkt is tot antropogene chemicaliën – het kan ook voorkomen in de atmosfeer op wildere, minder dichtbevolkte locaties.

Onderzoekers hebben in afgelegen gebieden van Ierland, Groenland en Antarctica waargenomen dat jodium (dat van nature vrijkomt uit smeltend zee-ijs, algen en het oceaanoppervlak) ook een belangrijke motor kan zijn voor de vorming van nieuwe deeltjes. Maar ze vroegen zich nog steeds af hoe moleculair jodium uitgroeit tot een CCN – en hoe efficiënt het dat doet, vergeleken met andere secundaire aerosolen. Of: hoewel bekend was dat deze deeltjes bestonden, konden we een gemeten concentratie in de atmosfeer niet koppelen aan een voorspelde vorming van deeltjes.

Wat ons brengt tot de CLOUD-kamer op CERN: een gigantische aerosolkamer die de atmosfeer van de aarde met uiterste precisie probeert na te bootsen. De kamer is oorspronkelijk gebouwd om het mogelijke verband tussen wolkenvorming en galactische kosmische straling te onderzoeken.

Acht weken lang werkten meer dan twee dozijn wetenschappers de klok rond in ploegendiensten van acht uur, waarbij ze de temperatuur en de samenstelling van de kunstmatige atmosfeer in de kamer voortdurend wijzigden om te zien naar wat er gebeurde als jodium werd toegevoegd. De wetenschappers konden in realtime de deeltjes in de kamer zien evolueren.

De CERN-wetenschappers ontdekten dat aërosoldeeltjes gemaakt van jodiumzuur zich zeer snel konden vormen. Het jodium was zelfs zo’n effectieve nucleator dat de onderzoekers het moeilijk hadden om het weg te schrobben van de zijkanten van de kamer voor daaropvolgende experimenten (waarvoor een volledig schone omgeving nodig was).

Hoe meer ijs smelt, hoe meer wolken

Deze bevindingen zijn belangrijk voor het begrijpen van de fundamentele atmosferische chemie die ten grondslag ligt aan wolkenprocessen, maar ook als een waarschuwing. De wereldwijde uitstoot van jodium is de afgelopen 70 jaar verdrievoudigd – en wetenschappers voorspellen dat de uitstoot zal blijven versnellen naarmate het zee-ijs smelt en de ozonlaag toeneemt. Op basis van deze resultaten zou een toename van moleculair jodium kunnen leiden tot meer deeltjes waarop waterdamp kan condenseren, waardoor een positieve feedbacklus ontstaat.

Of: hoe meer het ijs smelt, hoe meer zeeoppervlak wordt blootgesteld, hoe meer jodium wordt uitgestoten, hoe meer deeltjes er worden gemaakt, hoe meer wolken zich vormen, hoe sneller het allemaal gaat.

De resultaten kunnen wetenschappers ook helpen begrijpen hoeveel de planeet gemiddeld zal opwarmen als het kooldioxidegehalte verdubbelt in vergelijking met pre-industriële niveaus. Volgens schattingen ligt dit – de klimaatgevoeligheid genoemd – tussen 1,5 en 4,5 graden Celsius van opwarming. Deze onzekerheid is al decennialang hardnekkig groot. Als de aarde niet ingewikkelder zou zijn dan een biljartbal die door de ruimte vliegt, zou het berekenen van die klimaatgevoeligheid gemakkelijk zijn: iets minder dan 1 graad Celsius. Maar die berekening houdt geen rekening met het versterken van feedbackloops van natuurlijke systemen die enorme onzekerheden introduceren in klimaatmodellen.

Wolken maken niet koeler, wel warmer aan de polen

De algemene rol van aërosols op de klimaatgevoeligheid blijft vooralsnog onduidelijk. Schattingen in het vijfde beoordelingsrapport van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), suggereren een gematigd koeleffect, maar de foutmarges variëren van een netto opwarmingseffect tot een significanter koeleffect. Wolken koelen de planeet over het algemeen af, omdat hun witte toppen zonlicht de ruimte in reflecteren. Maar in poolgebieden heeft de sneeuwbedekking een vergelijkbaar albedo – of reflectievermogen – als wolkentoppen, dus extra wolken zouden daar weinig extra zonlicht reflecteren. In plaats daarvan vangen ze langegolfstraling van de grond op, waardoor een netto opwarmend effect ontstaat.

Eén model voorspelde al een klimaatgevoeligheid die ruim boven de gemiddelde bovengrens van IPCC ligt en 32 procent hoger was dan de vorige schatting: een opwarming van 5,3 graden Celsius als de wereldwijde kooldioxide wordt verdubbeld – voornamelijk vanwege de manier waarop wolken en hun interacties met aerosolen worden weergegeven in hun nieuwe model. (jvdh)

Lees ook: