Aerosol processes in polar regions - from formation to climatic implications

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-5822-97-7
Title: Aerosol processes in polar regions - from formation to climatic implications
Author: Kyrö, Ella-Maria
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Atmospheric Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Atmospheric aerosols affect our health, air quality, visibility and climate. They can impact the climate trough their ability to interact with radiation and to alter cloud properties by acting as cloud condensation nuclei (CCN) or ice nuclei (IN). Globally, aerosols cool the climate, but locally their effect may be opposite. Their climatic effects are determined by their concentration, size distribution and chemical composition as well as their vertical and spatial distribution and the underlying surface type. Currently, the largest uncertainties in estimating our future climate are related to atmospheric aerosols and their intearctions with climate. Polar regions are experiencing faster warming than the Earth on average. This enhanced warming leads to many dramatic changes in the cryosphere, including rapid shrinkage of Arctic summer sea ice. Arctic ampli cation also decreases the temperature gradient between the Arctic and polar air masses. Both of these changes feed back to the atmospheric dynamics and thus the transport of pollutants into the Arctic. The rapid climate change alters also the sources - both natural and anthropogenic - and sinks of secondary aerosols in polar regions. Therefore, it is crucial to understand the formation and growth mechanisms of atmospheric aerosols in these areas in order to assess their climatic effects. High latitudes also offer a great natural laboratory to study the aerosol dynamics and timescales for reaching climatically relevant sizes or obtaining a balance between sources and sinks, with very little anthropogenic influence. Moreover, as the precipitation amount and patterns will change in the future, the removal of aerosols is also subject to change. Quantifying this requires parameterization for climate models. This thesis adds to the understanding of all of these aforementioned parts in the aerosol processes and their climatic effects in polar regions. It offers the fi rst observations of Antarctic new particle formation (NPF) from continental biogenic precursors and shows that areas with melt water ponds over glaciers and continental ice sheets are important regions for the formation of secondary aerosols and the organics evaporating from such ponds have the potential to grow the particles up to climatically relevant sizes even in timescales of only few hours. In this thesis, it is also shown that in areas with low background aerosol concentrations, large sources of anthropogenic sulphur have a substantial impact to the trends in NPF and potential CCN in the scale of few hundreds of kilometers. This thesis also introduces a new way to study the evolution of aerosol number size distribution during air mass transport and shows that the aerosol condensational growth is markable even in the absence of evident NPF. Finally, this thesis offers the fi rst parameterization of snow scavenging in a way that is easily applicable to climate models.Ilmakehä, jota hengitämme, sisältää satoja, tuhansia tai jopa kymmeniätuhansia nestemäisiä tai kiinteitä pieniä hiukkasia kuutiosenttimetrissä. Nämä hiukkaset ovat hyvin pieniä, kooltaan vain muutamista nanometreistä joihinkin satoihin mikrometreihin. Ilmakehän pienhiukkaset eli aerosolihiukkaset vaikuttavat terveyteemme, ilmanlaatuun, näkyvyyteen ja ilmastoon. Pienhiukkaset voivat vaikuttaa ilmastoon joko suoraan vuorovaikuttamalla säteilyn kanssa tai epäsuorasti toimimalla pilvipisaroiden ja jääkiteiden tiivistymisytiminä ja täten muokkaamalla pilvien ominaisuuksia. Globaalisti aerosoleilla on ilmastoa viilentävä vaikutus mutta paikallisesti niiden vaikutus voi olla päinvastainen. Niiden ilmastolliset vaikutukset määräytyvät niiden lukumääräpitoisuuden, kokojakauman ja kemiallisen komposition sekä niiden pystysuuntaisen ja alueellisen jakauman ja toisaalta alla olevan pintatyypin mukaan. Ilmastonmuutosta ennustettaessa suurin epävarmuus liittyy pienhiukkasiin ja erityisesti niiden vuorovaikutuksiin pilvien kanssa. Polaarialueet ovat lämmenneet muita maapallon alueita nopeammin. Lämpenemisen aiheuttamat muutokset näkyvät dramaattisimmin mm. merijään laajuuden nopeana vähenemisenä, jäätiköiden vetäytymisenä, Etelämantereen jäähyllyjen lohkeamisena sekä ikiroudan sulamisena. Arktisten alueiden nopeampi lämpeneminen aiheuttaa myös sen, että lämpötilaero Arktisen ja polaari-ilmamassan välillä pienenee. Tämä sekä merijään hupeneminen vaikuttavat sekä suoraan että epäsuorasti ilmakehän virtauksiin ja täten myös ilmansaasteiden kulkeutumiseen Arktikselle. Lisäksi polaarialueiden pienhiukkaslähteissä on odotettavissa muutoksia tulevaisuudessa. Tässä väitöstyössä on tutkittu sekundääristen, eli ilmassa syntyvien pienhiukkasten syntymekanismeja, kasvua, kuljetusta, ilmastovaikutuksia sekä lopulta poistumaa ilmakehässä sekä eteläisillä että pohjoisilla napa-alueilla. Työn tuloksena pystyttiin mm. osoittamaan, että ilmaston muuttuessa ja polaarialueiden lämmetessä näiden alueiden ilmakehän pienhiukkaspitoisuudet tulevat kasvamaan uusien biogeenisten ja ihmisperäisten hiukkaslähteiden myötä. Erityisesti väitöskirjatyössä havaittiin ensimmäistä kertaa, että Etelämantereella kesäisin syntyvät sulavesilammikot tuottavat merkittäviä määriä sekundaarisia hiukkasia ilmakehään ja näiden lampien yllä syntyneiden hiukkasten nähtiin osallistuvan pilvien muodostukseen suhteellisen pian syntymisensä jälkeen. Tämän uuden hiukkaslähteen merkitys tulee tulevaisuudessa kasvamaan todennäköisesti kaikkialla polaarialueiden jäätikköalueilla ja täten vaikuttamaan myös ilmastoon. Väitöskirjatyössä tutkittiin myös Kuolan niemimaan rikkipäästöjen vaikutusta hiukkasmuodostukseen Itä-Lapissa ja havaittiin, että neljäntoista vuoden aikana päästöjen vähetessä myös hiukkasmuodostusepisodit vähenivät merkittävästi. Samoin niiden hiukkasten lukumäärä, jotka pystyvät osallistumaan pilvien muodostumiseen, väheni. Tulevaisuudessa uusien laivareittien avautuessa Jäämerellä on todennäköistä että laivojen rikkipäästöt lisäävät hiukkastuotantoa ja vaikuttavat mahdollisesti Arktisen alueen ilmastoon. Työssä kehitettiin myös uusi menetelmä tutkia pienhiukkasten lukumääräkokojakaumien muutoksia ilmamassojen liikkeen mukana sekä ensimmäinen ilmastomalleihin helposti lisättävä parametrisaatio joka kuvaa kuinka tehokkaasti lumisade puhdistaa ilmaa pienhiukkasista.
URI: URN:ISBN:978-952-5822-97-7
http://hdl.handle.net/10138/45329
Date: 2014-06-13
Subject: meteorologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
phd_Kyro.pdf 7.625Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record