sulfat nitrat sod Partikelforurening forandrer klimaet KØBENH AV NS UNIVERSITET

Transkript

1 KØBENH AV NS UNIVERSITET Partikelforurening forandrer klimaet skrevet af Philipp von Hessberg & Prof. Ole John Nielsen, (v. 1.2, ) Vores afbrænding af kul og olie har medført en øget mængde partikler i atmosfæren. De fleste atmosfæriske partikler reflekterer synligt sollys. Dermed bliver vores planet lysere; dette har en kølende effekt på det globale klima. Flere partikler i luften giver lysere skyer, hvilket bidrager til denne kølende effekt. Afbrænding af skove og anden biomasse samt forbrænding af kul og dieselolie resulterer i udledning af sodpartikler til atmosfæren. Sodpartikler er sorte - i modsætning til de fleste partikler - og gør dermed planeten mørkere, hvilket har en opvarmende effekt på kloden. Samlet set virker partiklerne kølende på det globale klima især via deres påvirkning af skyers egenskaber. Partiklernes levetid i troposfæren er på 1 2 uger. Atmosfæriske partikler, deres dannelse, kemiske sammensætning, deres påvirkning af skyers dannelse og egenskaber, samt ikke mindst partiklernes påvirkning af det globale klima kan du læse om i denne tekst. Luftbårne partikler kaldes også for aerosoler. Vi har fokus på den menneskeskabte fraktion af de atmosfæriske partikler. Sulfater, nitrater og sod slippes ud til atmosfæren ved forskellige forbrændingsprocesser og udgør en meget stor andel af disse menneskeskabte partikler. aerosol en blanding af faste og/eller flydende partikler, som svæver i en gas sulfat salt af svovlsyre (H 2 SO 4 ) - f.eks. diammoniumsulfat: (NH 4 ) 2 SO 4 nitrat salt af salpetersyre (HNO 3 ) - f.eks. ammoniumnitrat: (NH4)NO 3 sulfat nitrat sod Figur 1. De vigtigste bidrag til menneskeskabt partikelforurening er: Sulfater, nitrater og sod. Sulfater og nitrater virker kølende på klimaet, hvorimod sod har en opvarmende virkning 1. Dannelsen af små skydråber i røgfaner fra skibe (eng. ship track) er et synligt eksempel på partikelforureningens påvirkning af skyer og dermed klimaet (se Figur 2). Skibsspor er skyer, der dannes omkring partikelforurening fra skibes skorstene. Skibenes svovlholdige udstødning danner hygroskopiske svovlsyre- og sulfatpartikler; hygroskopisk stoffer, der nemt optager vand(damp), betegnes som hygroskopiske (eller vandsugende).

2 når disse vandige partikler bliver store nok, bliver de til skydråber. Som du kan se på fotoet, er skyerne lysere end resten af jordoverfladen: Skyerne reflekterer en større del af den opvarmende solstråling tilbage ud i rummet det har en kølende effekt på jorden. Figur 2. Satellitfoto af skibsspor (en.: ship track). Skibsspor er skyer der dannes omkring partikelforurening fra skibes skorstene. Skibes svovlholdige udstødning danner svovlsyre- og sulfatpartikler der tiltrækker vandmolekyler; når disse vandige partikler bliver store nok bliver de til skydråber. Billedet viser Stillehavet nær Alaska 2. Partikelforureningens påvirkning af det globale klima er kompleks, men samlet set kølende. Omfanget af kølingen er noget usikker, men forskernes bedste bud er, at de menneskeskabte partikler maskerer 40% af drivhusgassernes opvarmende effekt på det globale klima 3 (se Figur 3). Med en mindsket partikelforurening vil mere af drivhusgassernes opvarmende effekt slå igennem. kølende opvarmende Strålingspåvirkning (W m -2 ) CO 2 andre drivhusgasser usikkerhed partikler sum: drivhusgasser + partikler -3 Figur 3. Drivhusgassernes og partiklernes påvirkning af den globale energibalance. Partiklernes kølende effekt står overfor drivhusgassernes opvarmende effekt på det globale klima. Usikkerhedsbjælkerne viser estimater for 90% konfidensintervaller (inden for dette interval skønner forskerne at vi med 90 % sikkerhed kan finde den sande værdi). Drivhusgassernes opvarmende effekt skønnes at være 3 W/m2 (±0.6W/m 2 ), hvorimod partiklernes kølende effekt er -1.2 W/m 2 (-0.4 til -2.7 W/m 2 ) 3. Atmosfæriske partikler er enheder af flydende eller fast materiale, der er blandet op i luften; partiklerne variererer i størrelse fra få nm (nanometer) til flere μm (mikronm nanometer = 10-9 m m μm mikrometer = 10-6 m m Hvad er atmosfæriske partikler? 2

3 meter). De mindste partikler er aggregater af få molekyler, og de største partikler er typisk ophvirvlede støvkorn. Menneskeheden har øget atmosfærens indhold af partikler. Det er stigningen i mængden af de svovlholdige partikler der er vigtigst for den globale energibalance. Afbrænding af svovlholdigt kul og olie fører til udledning af svovldioxid (SO 2 ) gennem skorstenene. SO 2 bliver oxideret i atmosfæren til SO 3 og omdannes til svovlsyre (H 2 SO 4 ) i løbet af ca. en uge; noget reagerer så med ammoniak (NH 3 ) til diammoniumsulfat ((NH 4 ) 2 SO 4 ). Svovlsyre og sulfater har meget lave damptryk, hvorfor disse molekyler enten vil sætte sig (kondensere) på eksisterende partikler i luften eller spontant vil danne nye partikler fra gasfasen (nukleere). Nukleationen den spontane dannelse af nye partikler fra gasfasen er processen, der giver skibsspor og lysere skyer. Udover de svovlholdige (sulfat-) partikler har vi i de sidste par hundrede år øget atmosfærens indhold af nitratholdige partikler, sodpartikler og andre organiske partikler. Hovedkilden til nitratholdige partikler er luftforurening med nitrogenmonoxid (NO) og nitrogendioxidd (NO 2 ). NO og NO 2 dannes under forbrændingsprocesser både i kraftværker, bilmotorer og skovbrande. NO oxideres af ozon (O 3 ) i luften til NO 2, og NO 2 reagerer med hydroxyl(oh)-radikaler til salpetersyre (HNO 3 ) som sammen med svovlsyre er ansvarlig for syreregnen. Salpetersyren er hygroskopisk (tiltrækker vand); sammen med vand vil salpetersyren hydrolysere så får vi hydroniumioner (H 3 O + ) og nitrationer (NO 3- ) i vandig opløsning. aggregat en samling. Et aggregat af molekyler = en samling af molekyler der hænger sammen damptryk tryk af et stof i gasfasen, der er i ligevægt med stoffets faste fase eller væskefase. Når man f. eks. har svovlsyre i en lukket beholder, vil en vis mængde af svovlsyren fordampe og befinde sig i luften (gasfasen) over væsken. (Gas-) trykket af svovlsyren i ligevægt er svovlsyrens damptryk. Damptrykket stiger med stigende temperatur. Sodpartikler er sorte partikler, som består af (næsten) rent kulstof. De fleste andre atmosfæriske partikler absorberer ikke synligt lys eller er lysere end jordens overflade (set fra rummet), men sodpartikler er mørkere end jordens overflade. Fordi sodpartiklerne er mørke, absorberer de energi fra det indkommende sollys og opvarmer luften. Sodpartikler kaldes også for black carbon partikler blandt atmosfæreforskere. I de seneste år har atmosfæreforskerne også karakteriseret brune partikler brown carbon, som har optiske egenskaber der ligger mellem sod ( black carbon ) og farveløse organiske partikler (traditionelt kaldet organic carbon ). For overskuelighedens skyld vil vi dog her holde os til den gamle skelnen mellem sod (black carbon der er sort) og andre organiske partikler (organic carbon der ikke absorberer synligt lys). Udover sodpartikler slipper menneskeheden en stor mængde andre organiske forbindelser ud, der kan sætte sig på eksisterende partikler. Nogle organiske forbindelser oxideres i luften af ozon og får derved et lavere damptryk og kondenserer sidenhen på eksisterende partikler. Den vigtigste menneskeskabte kilde til organisk partikelmasse er afbrænding af biomasse (skovbrande, ildsteder m.m.), men også afbrænding af kul og olie bidrager. Nogle enkelte eksempler på det væld af organiske forbindelser der opstår ved ufuldstændig forbrænding er: levoglucosan (1,6-anhydrobeta-glucopyranose, C 6 H 10 O 5 ) som kommer fra forbrænding af cellulose (træ), palminsyre (hexadecansyre, C 15 H 31 COOH), ravsyre (butandisyre, C 2 (COOH) 2 ) og coronene (C 24 H 12 ). absorbere absorbere = optage. Lys absorberes af sorte og brune partikler. Derved omdannes lysets strålingsenergi til varmeenergi i partiklerne. To eksempler på organiske forbindelser i partikulært luftbårent materiale: ravsyre De forskellige typer af menneskeskabte atmosfæriske partikler og de vigtigste kilder til disse er vist i Tabel 1 og Figur 4. Menneskelig aktivitet har forøget den samlede mængde af atmosfæriske partikler og deres gennemsnitlige sammensætning. coronene 3

4 Absorbans mål for svækkelsen af lysintensiteten ved passage gennem et medium. F. eks. er den atmosfæriske absorbans et mål for, hvor meget sollyset bliver svækket på vej igennem atmosfæren. Svækkelsen kan skyldes spredning eller absorption af lys. Absorbansen beregnes som: ln(i0/i), hvor I og I0 er lysintensiteten hhv. efter og før passage gennem mediet. forbrænding af: kul og fuelolie Tabel 1. Bidrag til menneskeskabte atmosfæriske partikler. Tallene viser det procentvise bidrag til den atmosfæriske absorbans fra menneskeskabte partikler. Ca. 20% af det totale partikulære absorbans er menneskeskabt. Data er fra en detaljeret tredimensionel global atmosfæremodel 4. Menneskeskabte % bidrag til ekstra Kilder: partikelbidrag atmosfærisk absorbans Sulfat 50 Forbrænding af svovlholdig fuelolie og svovlholdige kul Organisk (ikke 25 Biomasseforbrænding, fordampning sod) af div. flygtige organiske forbindelser Nitrat 15 Alle former for forbrænding Sod 10 Forbrænding især biomasseforbrænding, kul og dieselolie Oftest består den enkelte atmosfæriske partikel af en blanding af sulfater, organisk materiale (sod og ikke-sod) og nitrater samt vand, mineralstøv og havsalt (NaCl). Mineralstøv kommer primært fra ophvirvlet (ørken-)sand og NaCl kommer fra skumsprøjt fra havet. benzinforbrænding skovbrande og køkkenild Sulfat Nitrat Organisk Sod menneskeskabte atmosfæriske partikler Menneskeskabt Naturlig fraktioner af atmosfæriske partikler Figur 4. Fraktioner af atmosfæriske partikler. Bjælkernes størrelse svarer til fraktionernes bidrag til atmosfærens absorbans. De altdominerende bidrag til den naturlige partikelfraktion er mineralstøv og havsalt 4. Terpen en klasse af kulbrinter der dannes af planter især nåletræer. Lugten af juletræ skyldes terpener. Terpener består af enheder af isopren: Partikelindholdet af den præ-industrielle atmosfære var domineret af støvpartikler (primært ophvirvlet fra ørkenområder) og saltpartikler (tørret havvand). Også en stor portion af de organiske partikler er naturlige: Et eksempel er de organiske partikler, der dannes i nåleskove af oxidationsprodukter fra terpener 5. I dag udgør støv og salt fortsat størsteparten af partikelmassen i atmosfæren, men for at forstå menneskehedens påvirkning af klimaet, kigger vi på de forandringer i atmosfærens sammensætning, som vi er ansvarlige for. Isopren (C5H8) har to karakteristiske dobbeltbindinger, der gør at det nemt reagerer med ozon. 4

5 Vi ser på partiklerne Atmosfæriske partikler er for små til at være direkte synlige for det blotte øje. Ved at suge noget forurenet luft gennem et filter - med f.eks. en støvsuger - kan man opsamle atmosfæriske partikler som man så kan se i et mikroskop. Med et almindeligt lysmikroskop kan man se de partikler, der er større end ca. 200 nm. Med et elektronmikroskop kan man også se mindre partikler (se Figur 5). Figur 5. Atmosfæriske partikler indsamlet over Nordatlanten. Læg mærke til de små skalaer i de tre billeder! Billederne er taget med et elektronmikroskop. De viste partikler består primært af diammoniumsulfat og små mængder sod; pilene peger mod steder med sod 6. Da atmosfæriske partikler er gode til at sprede lys, kan man indirekte se partiklernes virkning på en diset dag (se Figur 6) Figur 6. Partikelforurening i Beijing. Billedet til venstre er taget efter to dages regn som har renset atmosfæren for partikelforurening. Billedet til højre fra en dag med solskin (!) 7. 5

6 De fleste partikler køler klimaet - men sod opvarmer Partikler i atmosfæren reflekterer og spreder sollys, hvilket giver en diset himmel. Partiklerne virker som mikroskopiske spejle, der reflekterer en del af det indkommende sollys tilbage til verdensrummet. Så virker hele planeten lysere, og mindre af den opvarmende solstråling når ned til jordens overflade, som derfor afkøles (se Figur 8). Sodpartikler er sorte og absorberer (optager) sollys frem for at reflektere sollys, derfor har de ikke den afkølende effekt, som de fleste andre partikler har. Absorptionen af sollys opvarmer sodpartiklerne, hvilket opvarmer den omgivende luft og i sidste ende også jordens overflade. Du kan sikkert genkende effekten af en mørk overflade, når du tænker på en sommerdag, hvor du har haft en sort T-shirt på: Det bliver hedt! Sodpartiklerne, der udfælder fra atmosfæren og sætter sig på is- og sneoverflader, gør disse overflader mørkere, øger absorptionen af sollys og fremskynder dermed afsmeltningen af verdens gletschere, iskapper og havis. En afsmeltning af is og sne fremskynder den globale opvarmning fordi jorden eller vandet, der ligger under isen og sneen, er mørk og dermed god til at absorbere solenergi. kondensering en tilstandsændring, hvor stof på gasform omdannes til stof på væskeform. Når atmosfærisk luft afkøles sætter vandmolekylerne sig på partikler i luften Kondensering kaldes også fortætning. Flere partikler giver lysere og mere langlivede skyer Partikler har en meget vigtig indflydelse på skyernes egenskaber. Skyer består af vanddråber. Men, hvor kommer vanddråberne fra? Vandmolekyler kondenserer fra luften når luften bliver overmættet med vand (den relative luftfugtighed når op over 100 %). Vandmolekyler i atmosfæren danner dog aldrig spontant klynger bestående bare af vandmolekyler, selv ved en stor overmætning. Ved overmætning sætter vandmolekyler sig derimod på eksisterende overflader - dvs. på luftbårne partikler. Derfor dannes der kun så mange skydråber i en given pakke luft, som der er egnede partikler til (store partikler og hygroskopiske partikler er særligt egnede). Når der er ekstra mange partikler i en pakke luft, dannes en sky med ekstra mange vanddråber. I skyer med ekstra mange vanddråber er skydråberne mindre. Flere og mindre skydråber resulterer så i en større samlet overflade af skydråberne. Størrelsen af den samlede overflade er afgørende for skyernes evne til at reflektere sollys: Større overflade giver mere refleksion af sollys dvs. en lysere sky (set oppefra). Det er samme effekt, man ser, når man knuser isterninger: Isen bliver mere hvid, efter den er knust (se Figur 7). Figur 7. Større overflade af vand og is giver mere lys fremtoning. Her ses samme mængde is i to petriskåle: Til venstre knust is og til højre isterninger. Analogt er skyer med flere og små sky dråber mere lyse (oppefra). 6

7 Mere reflektion af sollys fra skyerne har en afkølende effekt på jordoverfladen (se Figur 8). En sky med flere og mindre skydråber har typisk en længere levetid end en sky med færre og større dråber. Også denne effekt fører til mere refleksion af sollys og en afkøling af jordoverfladen Direkte aerosoleffekt: Lysspredning & absorption Indirekte aerosoleffekt: flere partikler -> flere skydråber -> a. lysere skyer & b. skyer lever længere Figur 8. Forskellige direkte og indirekte klimaeffekter af partikler (aerosoler). Klimaforskerne verden over arbejder på at sætte tal på, hvor stor partiklernes kølende og sodpartiklernes opvarmende effekt er på en global skala. Det er en meget vanskelig opgave at regne disse klimaeffekter ud, fordi koncentrationen af partikler varierer enormt meget fra sted til sted og i tiden. En endnu større forhindring er, at skyerne har en kæmpestor effekt på den lokale energibalance: Du kender det sikkert fra en dag på stranden, hvor en sky pludselig dækker for solen, og du får gåsehud, fordi det bliver koldt. Bare en lille påvirkning af skyernes gennemsnitlige farve og levetid kan have en kæmpestor effekt på det globale klima: En forandring af alle skydråbers diameter fra 8 til 10 mikrometer har en ligeså stor klimaeffekt som en fordobling af CO 2 -koncentrationen 8! Vulkanudbrud: Eksperimenter i global nedkøling I juni 1991 var der udbrud i vulkanen Mount Pinatubo i Filipinerne (se Figur 9). Det var det næststørste vulkanudbrud i 1900-tallet og ca. 10 Tg (10 10 kg) svovl blev slynget op i stratosfæren, hvor svovlen blev oxideret til sulfat og dannede et verdensomspændende lag af sulfatpartikler. Partiklerne har en opholdstid på hele 1-2 år i stratosfæren, fordi stratosfærisk luft kun blandes langsomt med mere jordnære luftlag, og fordi der ikke er regn i de højder. Stratosfæren atmosfærisk lag over tropopausen, der ligger i 7-17 km højde, og under stratopausen (50 km højde). I stratosfæren stiger temperaturen med højden. Stratosfæren og den underliggende troposfære (del af atmosfæren tættest på jorden) er har kun en langsom luftudveksling. 7

8 Figur 9. Vulkanen Mt. Pinatubo på Filipinerne i udbrud den 12. juni Tg svovl blev slynget op i stratosfæren og kølede det globale klima i et par år 9. Vulkanudbruddet blev et kæmpestort globalt klimaeksperiment: Forskerne målte mængden af sulfatpartikler i stratosfæren og brugte deres klimamodeller til at forudsige en global nedkøling på ca. 0.5 C på grund af partiklernes refleksion (spredning) af indkommende sollys ud i rummet 10. Det var også det, der skete: I løbet af et år faldt den globale middeltemperatur med ca. en halv grad og steg derefter langsomt igen, efterhånden som mængden af stratosfæriske partikler faldt (se Figur 10). Denne succesfulde forudsigelse viste, at forskerne og deres klimamodeller har styr på partiklernes direkte klimaeffekt (den direkte aerosoleffekt). Temperaturanomali ( C) Pinatubo udbrud Stratosfærens optiske densitet (et mål for mængden af partikler i stratosfæren) År Figur 10. Effekten af Mt. Pinatubo vulkanudbruddet. Udviklingen i temperaturen for den mellemste del af troposfæren er vist i blåt, mens mængden af partikler i stratosfæren er vist i grønt. Stratosfærens optiske densitet er et udtryk for, hvor stor en fraktion af lys der bliver reflekteret (spredt) på vej igennem stratosfæren. Temperaturen falder lidt forsinket pga. termisk inerti 11,12. 8

9 Tal på partiklernes globale klimaeffekt Klimaforskerne har lagt al vores viden om udledninger og koncentrationer af menneskeskabte såvel som naturlige partikler samt viden om skyer og deres vekselvirkning med partikler ind i globale klimamodeller og beregnet klimaeffekten af menneskenes udledning af atmosfæriske partikler. I den seneste IPCC rapport (fra 2007) er resultatet fra disse klimamodeller sammenfattet 3 : Sulfater, nitrater og andre ikke-sodholdige partikler fra menneskeskabte kilder har en afkølende effekt på ca. 1.6 W/m 2 ( 1.1 til 2.9 W/m 2 ), hvorimod sodpartikler har en opvarmende virkning på ca. 0.4 W/m 2 (± 0.3 W/m 2 ). Samlet set har partiklerne en kølende effekt på ca. 1.2 W/m 2 ( 0.4 til 2.7 W/m 2 ) - se Figur 11 nedenfor - med sulfater som det bidrag, der dominerer den kølende effekt. Nyere studier peger på, at sodpartiklernes opvarmende effekt faktisk kan være så stor som 0.9 W/m 2 (±0.5 W/m 2 ) 13. IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (en.). Dansk: FNs klimapanel. IPCC blev etableret I 1988 af FN. Det er et panel af klimaforskere der udgiver rapporter om den nyeste viden indenfor klimavidenskaben. Den seneste store rapport fra IPCC er Fourth Assesment Report fra Forskerne bag IPCCs seneste rapport vurderer, at den globale temperatur vil stige med ca. 3 C (2 til 4.5 C) ved en fordobling af CO 2 koncentrationen svarende til en opvarmende effekt på 3.7 W/m 2. Tilsvarende betyder aerosolernes samlede klimaeffekt på -1.2 W/m 2 en afkøling på ca. 1.5 C i globalt gennemsnit. opvarmende Strålingspåvirkning (Wm -2 ) Drivhusgasser CH 4, N 2 O, CFCer, O 3 CO 2 Sod (Black carbon) Aerosoler Sulfat, nitrat og andre ikke-sod partikler Total partikler afkølende 3 Figur 11. Effekten af menneskeskabte drivhusgasser og partikler på jordens strålingsbalance. Drivhusgasser og sodpartikler virker opvarmende på det globale klima, hvorimod andre partikler virker kølende 3. De menneskeskabte drivhusgassers opvarmende effekt er til dels blevet maskeret af den kølende effekt af atmosfæriske partikler. Forskernes bedste bud er, at 40% af drivhusgassernes potentielt opvarmende effekt er blevet skjult af partiklernes kølende effekt. Partikler har en atmosfærisk levetid på op til et par uger, hvorefter de vil falde ud eller blive vasket ud med regn eller sne. Hvis vi stoppede al luftforurening i morgen, ville vi altså have en atmosfære, der var stort set renset for menneskeskabt partikelforurening indenfor 14 dage. Den vigtigste drivhusgas CO 2 har derimod en atmosfærisk levetid på flere hundrede år og ca. en fjerdedel af den CO 2, vi udleder, har en levetid på over tusind år. Efter et stop af luftforureningen ville vi altså hurtigt stå tilbage med den opvarmende virkning af de langlivede drivhusgasser, men mangle den svalende virkning fra partiklerne. 9

10 Partikler i luften er farlige for helbredet og miljøet Indånding af partikler kan resultere i luftvejssygdomme; der er blevet påvist en statistisk signifikant sammenhæng mellem partikelforurening og forøget dødelighed 14. Luftforurening med SO 2, NO og NO 2 giver ophav til syreregn og er dermed til fare for skove og andre sårbare økosystemer. På grund af generne fra den har vi i Europa og Nordamerika reduceret partikelforureningen. Dette er sket bl. a. ved at reducere udledningen af SO 2 fra afbrændingen af kul i kraftværker (med røggasrensning). Mange steder bruger man desuden nu brændstof med lavt svovlindhold; skibes fuelolie har dog normalt fortsat et meget højt svovlindhold - nogle steder (f.eks. i Østersøen) begynder politikerne nu at sætte grænser for svovlindholdet af skibes fueolie. Forskellige teknologiske løsninger har derudover reduceret udledningen af NO og NO 2 fra kraftværker, industri og køretøjer (f.eks. 3-vejs katalysatoren i benzinbilen). En mere optimal regulering af mange kontrollerede forbrændingsprocesser i køretøjer, kraftværker m.m. har også kunnet reducere udledningen af sodpartikler. Partiklerne og klimaet i fremtiden? På grund af partiklernes skadelige effekter for helbredet og miljøet er der en stærk motivation til at minimere partikelforureningen i hele verden. Dette kan betyde at vi kommer til at se drivhusgassernes sande opvarmende potentiale komme til udtryk - uden partiklernes svalende effekt. En fjernelse af alle menneskeskabte kilder til atmosfæriske partikler kan resultere i en global opvarmning på yderligere 1.5 C selvom dette tal er noget usikkert. Et projekt, der går ud på at erstatte biomasse som opvarmningskilde til madlavning, er Project Surya: ucsd.edu/projectsurya.html En mulighed: Stop sodpartiklerne og køl klimaet Vi kunne koncentrere os om at komme af med udslip af sodpartikler i første omgang. Derved kunne vi slippe for både sodpartiklernes opvarmende effekter på klimaet og deres lokale sundhedsskadelige effekter. Åben biomasseafbrænding (skovbrande m.m.) står for ca. 40% af den globale udledning af sodpartikler og biomasseforbrænding i ildsteder står for yderligere ca. 20% 15. Det er altså vigtigt at forhindre den massive afbrænding af skove i troperne og erstatte træ, kokasser m.m. som brændstof til madlavning i u-landene. I Europa og Nordamerika er en vigtig kilde til sodpartikler forbrænding af diesel og fuelolie i biler, lastbiler, busser og skibe uden partikelfilter. Med gode partikelfiltre kan vi forhindre stort set al udledning af sodpartikler fra disse kilder. 10 De vigtigste pointer 1. Atmosfæriske partikler køler det globale klima som helhed, mens sodpartikler har en mindre opvarmende effekt. 2. Partikler køler klimaet ved at sprede sollys og ved at gøre skyer mere lyse og langlivede. 3. Langt de fleste atmosfæriske partikler har en atmosfærisk opholdstid på op til et par uger. 4. Afbrænding af svovlholdigt brændstof er den vigtigste kilde til menneskeskabte atmosfæriske partiklers klimapåvirkning. Forståelsesspørgsmål til teksten 1. Ændringer i mængden af partikler i atmosfæren har ændret den globale energibalance. Hvad er de menneskeskabte partiklers effekt på den globale energibalance sammenlignet med CO 2? Sammenlign også usikkerheden på disse tal.

11 2. Hvorfor er usikkerheden på tallene for partiklernes klimaeffekter så stor? 3. Hvilke mekanismer bidrager til partiklers kølende effekt på det globale klima? 4. Hvilken slags af de menneskeskabte partikler har bidraget kraftigst til forskydningen af den globale energibalance? 5. Hvordan og i hvor lang tid kan store vulkanudbrud påvirke det globale klima? 6. Hvilke partikler har en opvarmende effekt på klimaet? Hvorfor er de opvarmende i modsætning til resten af partiklerne? 7. Hvilke lokale problemer forårsager partikelforureningen? 8. Hvor lang er den atmosfæriske opholdstid for partikler? Hvor lang er CO 2 s opholdstid? 9. Hvordan er partikelforureningen synlig for det blotte øje? 10. Hvorfor observerer vi ikke den fulde effekt af drivhusgassernes potentielle opvarmning af jorden? 11. Hvad kan man gøre ved partikelforureningen, som hurtigt kan nedbremse den globale opvarmning? Hvilke andre konsekvenser kunne sådanne forholdsregler have? Miniprojekter 1. Brug en online klimamodel til at undersøge sulfataerosolers betydning for det globale klima. Defaultværdien for sulfataerosolers strålingspåvirkning i modellen er 1.2 W/m 2. Prøv at ændre værdien til -0.4 W/m 2 eller -2.7 W/m 2 (som er øvre og nedre grænse af IPCCs usikkerhedsinterval) og se hvad det betyder for den prognosticerede temperatur i 2000, 2050 og Find klimamodellen hos (det forudsatte et download og installation af Java 6 på min PC) -> Java Climate Model -> JCM > Try it now! Launch model -> Launch JCM Now -> Open / Run. Så skulle modelvinduet være åbent. I højre del af vinduet ses 3 grafvinduer under hinanden, som viser: 1. modelresultater for CO 2 -koncentrationen ( Atmospheric CO2 concentration ), 2. strålingspåvirkning fra forskellige gasser og partikelspecies ( Radiative Forcing - All contributions ) og 3. Modelresultater for global gennemsnitstemperatur ( Global Average Temperature ) - det er denne sidste graf, der viser temperaturresultaterne vi er interesseret i. For at ændre værdierne for sulfataerosolers strålingspåvirkning gå ind i den venstre kolonne under Other Gases and Aerosols -> Aerosols and Solar. Her kan du så erstatte defaultværdien (-1.2 W/m 2 ) ( Sulphate RF (dir+ind) in 2000 ) og straks observere effekten på graferne til højre. Du kan derefter prøve at ændre på stabiliseringsværdien for CO 2 -koncentrationen ved at trække (med musen) i den 4-dobbelte pil i øverste højre graf og sammenligne effekten deraf med resultaterne fra ændringerne af sulfataerosolernes klimaeffekt. 2. Brug en online en-dimensional atmosfæremodel til at se på skyers effekt på klimaet. Variér skyernes dråbestørrelse og skydækket af både lave og høje skye og se hvilken effekt disse faktorer har på den simulerede overfladetemperatur. Modellen findes her: -> On-line Models -> NCAR Radiation Code -> Run me. Start med defaultværdierne (brug hele tiden Radiation scheme = CCM3 ) og få en værdi for ligevægtstemperaturen ved jordoverfladen ( Equilibrium near-surface air temperature). Variér derefter andelen af himlen dækket af lave skyer (prøv med 1, 2 11

12 og 4 %) ( Low Cloud Fraction ) og variér dråbestørrelsen (prøv 8, 10 og 12 mikrometer) ( Cloud droplet size ). Fjern derefter de lave skyer og prøv med høje skyer i stedet for ( High Cloud ) (prøv med 1, 2 og 4 %). Hvordan påvirkes ligevægtstemperaturen ved jordoverfladen af hhv. de lave og høje skyers tilstedeværelse? Hvordan påvirkes temperaturen af en ændring i dråbestørrelse? Prøv evt. at sætte både høje og lave skyer til 0 og variér CO 2 -koncentrationen. Hvor store ændringer i CO 2 -koncentration skal der til, for at opnå temperaturforandringer lige så store som du fik ved at skrue på skyernes dækning og dråbestørrelse? 3. Sammenlign de historiske udledningerne af SO 2 fra Europa (se f.eks. i Twenty-five years of continuous sulphur dioxide emission reduction in Europe - med udledningerne i resten af verden (se f.eks. i Historical Sulfu Dioxide Emissions pdf). Kan I finde ud af, hvorfor udledningerne af SO 2 er faldet så meget i Europa? 4. Prøv at beregne hvor stor en global nedkøling man kan forvente ved at reducere udledningen af sodpartikler (black carbon) til 0. Brug en en-dimensional atmosfære- og strålingsmodel: Modellen findes her: -> On-line Models -> NCAR Radiation Code -> Run me. Start med defaultværdierne (brug hele tiden Radiation scheme = CCM3 ) og få en værdi for ligevægtstemperaturen ved jordoverfladen ( Equilibrium near-surface air temperature). Simulér et fravær af sodpartikler ved at korrigere for deres strålingspåvirkning (klimaeffekt) med at ændre værdien for strålingsubalancen i toppen af atmosfæren ( TOA radiative imbalance ). Taksigelser Tak til Vibeke Axelsen, Merete Bilde og Charlotte von Hessberg for nyttige kommentarer og forbedringsforslag til denne tekst. Referencer 1 Sudbury Stack - modificeret foto <en.wikipedia.org/wiki/file:sudbury_sunset.jpg> 2 Skibsspor over Stillehavet ved Alaska - foto fra NASA <earthobservatory. nasa.gov/iotd/view.php?id=37455> 3 Forster, P., Ramaswamy, V. Climate Change 2007: The Physical Science Basis (eds S. Solomon & D. Qin) (2007) <ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/ wg1/ar4-wg1-chapter2.pdf> 4 Tsigaridis, K. et al. Change in global aerosol composition since preindustrial times. Atmospheric Chemistry and Physics 6, (2006) <atmoschem-phys.net/6/5143/2006/acp pdf> 5 Spracklen, D. V., Bonn, B. & Carslaw, K. S. Boreal forests, aerosols and the impacts on clouds and climate. Philosophical Transactions of the Roy- 12

13 al Society A 366, (2008) <rsta.royalsocietypublishing.org/content/366/1885/4613.full.pdf> 6 Atmosfæriske partikler indsamlet over Nordatlanten - elektronmikroskopisk billede <svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010300/a010393/> 7 Partikelforurening i Beijing - to fotos <en.wikipedia.org/wiki/beijing> 8 NCAR radiation code < geodoc.uchicago.edu/projects/full_spectrum.html> 9 Pinatubo røgfane - foto <vulcan.wr.usgs.gov/imgs/jpg/pinatubo/images/pinatubo91_eruption_plume_ jpg> 10 Hansen, J., Lacis, A., Ruedy, R. & Sato, M. Potential Climate Impact of Mount Pinatubo Eruption. Geophysical Research Letters 19 (1992) <pubs. giss.nasa.gov/docs/1992/1992_hansen_etal.pdf> 11 Stratospherisk aerosol optisk dybde - Månedsmiddelværdi ved 550 nm <data.giss.nasa.gov/modelforce/strataer/tau_line.txt> 12 Microwave Sounding Unit - Temperaturdata for midt- troposfæren <vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/t2/uahncdc.mt> 13 RamanathanV. & Feng, Y. On avoiding dangerous anthropogenic interference with the climate system: Formidable challenges ahead. P Natl Acad Sci USA 105, (2008) <pnas.org/content/105/38/14245.full> 14 Dockery, D. W. et al. An Association between Air Pollution and Mortality in Six U.S. Cities. The New England Journal of Medicine 329, (1993) < 15 Ramanathan, V. & Carmichael, G. Global and regional climate changes due to black carbon. Nature Geoscience 1, (2008) <www-ramanathan. ucsd.edu/publications/ram_carmichael-natgeo1-221.pdf> 13