研究人員報告了不同北極地區(qū)冰成核顆粒濃度的年度變化

由萊布尼茨對流層研究所(TROPOS)領導的國際研究小組首次研究了冰芯中的大氣冰成核顆粒(INPs)，這可以提供有關北極地區(qū)云層覆蓋類型的見解。 500年。這些INP在云中形成冰中起著重要作用，因此對氣候產生重大影響。然而，到目前為止，只有少數測量可以追溯到幾十年前。新方法可以提供有關氣候檔案中歷史云的信息，從而填補氣候研究知識方面的巨大空白。

來自TROPOS，哥本哈根大學，伯爾尼大學和Paul Scherrer研究所的團隊在“ 地球物理研究快報 ”雜志上寫道，幾個世紀以來大氣中冰成核顆粒濃度變化的研究結果將有助于氣候研究人員更好地理解未來的氣候變化。

氣候檔案對于重建過去的氣候以及對未來氣候的發(fā)展作出重要評論非常重要。在歐洲，只有大約300年才觀察和記錄天氣。然而，對于之前和沒有氣象站的地點，研究取決于自然檔案的結論。古氣候研究使用各種各樣的自然檔案，如樹木年輪，冰芯或沉積物。

在最近的幾十年，許多方法已經被開發(fā)和完善使用間接指標(氣候代理人)得出關于氣候因素，如溫度，降水，火山爆發(fā)和太陽活動的結論。除其他外，云層對降水負責，但它們非常難以捉摸，因此很難研究。但云的數量，類型和范圍及其冰含量對大氣輻射預算，地面溫度和降水影響很大，因此影響云的參數信息對氣候重建具有重要意義。

德國，丹麥和瑞士的國際研究團隊現在介紹了如何提高我們對云的知識及其在氣候歷史中的作用的方法。據他們說，該團隊首次重建了冰芯中冰核顆粒(INP)的濃度。這些測量可用于將來重建云層。

“混合相云中的冰形成主要是由不均勻的冰層形成，即INP是刺激過冷云滴凍結所必需的。因此，這些粒子的數量和類型會影響云層的降水，壽命和輻射特性。在實驗室中，我們能夠證明兩種類型的顆粒特別適用于此目的：來自土壤的礦物塵埃以及各種生物顆粒，如細菌，真菌孢子或花粉，“云團長Frank Stratmann博士解釋說。 TROPOS工作組。

冰芯通常用于重建各種氣候參數，例如數千年來的溫度，降水或火山爆發(fā)。對于現在發(fā)表的研究，該團隊能夠利用北極的兩個冰芯部分：核心Lomo09在2009年海拔1200米的斯瓦爾巴群島的Lomonosovfonna冰川上鉆探。冰芯EUROCORE精心提取1989年從格陵蘭冰蓋峰頂海拔3000多米。

這些核心的冷凍樣本被送到萊比錫，在那里檢查INP。冰的小樣品熔化，熔化的水分成許多小滴的1和50微升。將這些液滴置于兩個實驗裝置中，每個裝置具有幾乎100個微小的槽，然后以受控方式冷卻。這些設置以前用于其他研究：萊比錫冰核陣列(LINA)和冰核液滴陣列(INDA)是液滴以受控方式冷卻的儀器。通過玻璃窗，研究人員可以觀察到哪個溫度下有多少滴凍結。然后將冷凍液滴的數量轉換成冰成核顆粒的濃度。“2015年，美國研究人員從雪和降水中獲取了大氣INP濃度。對我們的方法來說，對降水有效的方法也適用于冰樣。所以我們是第一個證明歷史冰核濃度也可以從冰芯中提取出來的人，“TROPOS的馬庫斯哈特曼說，他作為博士論文的一部分進行了調查。

這為古氣候研究開辟了新的可能性。自20世紀30年代以來，從世界各地的冰川中提取了無數冰芯，并重建了過去的氣候。關于云相的信息(即，它是否含有冰或液態(tài)水)不可用。極地和大氣研究人員的研究是朝這個方向邁出的第一步。由于該團隊沒有連續(xù)的冰芯，它只能重建1735年至1989年格陵蘭島和斯瓦爾巴群島1480至1949年的冰核顆粒?？偟膩碚f，在過去的半個千年中，冰成核顆粒沒有趨勢。“然而，北極只有大約25年的大幅度變暖?，F在分析的冰是在強烈變暖開始之前形成的。因此，冰芯和新冰將是可取的，“Markus Hartmann補充道。

研究人員無可爭議的是，人類通過排放引起全球變暖。但是，目前還不清楚大氣層中云層的變化程度。因此，研究人員也希望通過研究空氣中的冰成核顆粒獲得重要的見解。2016年秋/冬，來自北京大學，TROPOS，哥德堡大學和中國科學院的團隊測量了中國首都北京空氣中冰成核顆粒的濃度。但是，他們無法證明與那里的高水平空氣污染有任何聯系。

“因此，我們認為北京的冰核顆粒更多來自天然來源，如沙塵暴或生物圈，這兩種物質都被稱為冰成核顆粒的來源，而不是來自人為燃燒過程，”?？瞬┦空f。 TROPOS的Wex。但這是一個地方的快照，不應忘記人類的間接影響：土地利用或干旱的變化會對大氣和生物圈中的塵埃產生影響，從而導致云層的變化。“為了更好地了解人類對大氣的影響，云研究人員在空氣污染的熱點地區(qū)(如新興大都市的大都市)以及極地等相對清潔的地區(qū)進行測量。

到目前為止，人們對北極冰成核顆粒的數量，性質和來源知之甚少，盡管它們是云形成的重要因素，因而也是那里氣候的重要因素。具有每月或每周時間分辨率的長時間序列實際上不存在，但對于調查季節(jié)性影響是必不可少的。在大氣化學和物理雜志上歐洲地球科學聯盟(EGU)的開放獲取期刊，也是由TROPOS領導的國際團隊，最近發(fā)表了關于北極冰核濃度季節(jié)變化的概述。來自2012/2013年和2015/2016年的北極四個研究站的樣本在TROPOS的萊比錫云實驗室進行了調查：加拿大的警報，斯匹次卑爾根的Ny-Ålesund(挪威)，阿拉斯加的Utqiagvik(巴羅)和美國的Villum (北站)在格陵蘭(丹麥)。

“這讓我們對季節(jié)之間的變化進行了概述：從春末到秋天，空氣中最多的是冰成核顆粒，冬季和春季開始時發(fā)現最少。這影響了北極的云層類型在一年中發(fā)生了變化，因此云層對北極變暖的影響也在變化，“Heike Wex解釋說。研究人員希望這些研究能夠更好地預測氣候變化，因為氣候模型目前無法充分反映北極變暖，這將導致從海平面上升到歐洲區(qū)域氣候變化等不確定因素。

生物圈與氣候之間復雜的反饋過程也將成為MOSAiC探險的一部分：2019年9月，由阿爾弗雷德韋格納研究所(AWI)領導的德國研究破冰船Polarstern將在北冰洋漂流一年。由額外的破冰船和飛機提供，來自17個國家的600名人員將參加MOSAiC探險。AWI與國際合作伙伴一起負責五個主要研究領域：海冰物理和積雪，大氣和海洋過程，生物地球化學循環(huán)和北極生態(tài)系統(tǒng)。TROPOS將在兩個中心測量中發(fā)揮主導作用：首先，整個冰漂的遙感容器將使用激光雷達，雷達和微波輻射計不斷探索垂直氣溶膠和云分布。另一方面，系留氣球將在飛行區(qū)段內盡可能準確地測量北極邊界層。兩種測量都允許或多或少地直接檢測冰成核顆粒的垂直分布。此外，TROPOS將再次研究海洋和熔池的表層微層，這可能是北極地區(qū)冰成核顆粒的主要來源。

自2016年以來，德國研究基金會(DFG)的TR172“北極擴增”協(xié)作研究中心一直在調查北極變暖的原因遠遠超過地球其他地區(qū)。除萊比錫大學外，研究網絡還包括不來梅和科隆大學，阿爾弗雷德韋格納研究所，亥姆霍茲極地和海洋研究中心(AWI)以及萊比錫萊布尼茨對流層研究所(TROPOS)。Tilo Arnhold