Nye forskningsfunn viser en sammenheng mellom biologiske partikler og dannelsen av iskrystaller ved høye temperaturer i skyer i Arktis.
Forskning på sammenhengen mellom biologiske partikler i atmosfæren og dannelsen av iskrystaller i arktiske skyer har foregått over flere år ved Zeppelinobservatoriet ved Ny-Ålesund på Svalbard.
I en ny artikkel i Nature Communications viser et forskerteam fra Sverige, Norge, Japan og Sveits hvordan dette kan ha stor betydning for klimaforskningen og vår forståelse av det raskt skiftende arktiske klimaet.
Partikler påvirker skyer
Skyer er viktige for klimaet på jorden. De kan ha både en avkjølende effekt ved at de reflekterer sollys, samt en oppvarmende effekt ved at de absorberer varmestråling fra bakken.
Partikler som svever rundt i atmosfæren kalles aerosol-partikler eller bare aerosoler. Disse spiller en viktig rolle i dannelsen av skyer ved at de kan danne skydråper og iskrystaller. Størrelse, antall og sammensetning er blant faktorene som avgjør hvilke aerosoler som danner skydråper og iskrystaller.
Nøyaktig hvordan aerosoler påvirker skydannelsen og skyenes egenskaper er en av hovedkildene til usikkerhet i klimamodellene. I avsidesliggende strøk som Arktis kan selv små endringer i partiklene ha stor betydning for sammensetningen av skyene: Hvorvidt de består av små skydråper, iskrystaller eller en blanding, i hvilken grad de reflekterer sollys og varmestråling fra bakken – og om det blir nedbør eller ikke. Disse egenskapene har betydning for hvorvidt skyene har en avkjølende eller oppvarmende effekt på klimaet.
Enkelte biologiske partikler, det vil si partikler som har opphav fra levende organismer, danner iskrystaller ved mye høyere temperaturer enn andre partikler. Dette skyldes blant annet partiklenes unike struktur eller deres kjemiske sammensetning. Uten partikler til stede vil atmosfæriske iskrystaller ikke dannes før ved temperaturer under -38 °C. Som forskerne viser i denne studien, er det et betydelig samsvar mellom biologiske partikler og partikler som danner iskrystaller ved så høye temperaturer som -15 °C.
Etter hvert som Arktis varmes opp, kan kildene til de ulike aerosoltypene endre seg. Et varmere klima kan for eksempel bety mer barmark, mer vegetasjon og mindre havis. Dette kan føre til at det blir mer partikler fra disse kildene, slik som mineralstøv, biologiske partikler, samt sjøsaltpartikler – og med det kan skyene og klimaet endre seg.
Bruker UV-stråling for å telle biologiske partikler
Forskerne har brukt sensitiv optisk teknologi basert på lysspredning og UV-indusert fluorescens til å identifisere og telle de biologiske partiklene. Enkelt forklart tilføres hver enkelt partikkel energi i form av UV-stråling. Molekyler av biomolekylært opphav, det vil si at de forekommer naturlig i levende organismer, vil så avgi energien igjen i form av fluorescens som måleinstrumentet registrerer.
– Høy sensitivitet er avgjørende for å kunne oppdage disse partiklene i små konsentrasjoner. Det er litt som å lete etter en nål i en høystakk, forteller Gabriel Freitas. Han er doktorgradsstudent ved Stockholms Universitet og hovedforfatter av den vitenskapelige artikkelen.
Konsentrasjonen av biologiske partikler er høyest om sommeren, og samsvaret med omgivelsestemperatur, barmark, og vegetasjon viser at de er av arktisk, terrestrisk opphav.
Tilstedeværelsen av de biologiske partiklene ble også bekreftet med elektronmikroskopi og massespektrometri.
– Arabitol og mannitol er molekyler kjent som sukkeralkoholer og finnes i en rekke forskjellige mikroorganismer. Når vi finner dem i lufta, slik vi gjorde i denne studien, er det fordi de finnes i soppsporer. De kan stamme fra lokale kilder, og de kan ha blitt fraktet gjennom atmosfæren over lange avstander, sier Karl Espen Yttri. Han er seniorforsker ved klima- og miljøforskningsinstituttet NILU og en av de andre forfatterne av artikkelen.
Mikroorganismer bidrar til dannelse av iskrystaller
Aerosoler som danner iskrystaller kalles også is-nukleerende partikler. Antallet slike partikler, og ved hvilke temperaturer isdannelsen skjer, ble målt ved to ulike laboratorier. Begge tok utgangspunkt i partikler samlet inn på filterprøver eksponert for omgivelsesluft over en periode på én uke.
Førsteamanuensis Yutaka Tobo fra det Nasjonale polarforskningsinstituttet i Japan forklarer at analysemetoden de brukte kan kvantifisere aerosolpartiklenes evne til å danne iskrystaller i vanndråper ved temperaturer fra 0°C til omtrent -30 °C. Ved å varme opp filtrene til 95 °C kunne forsker Franz Conen ved Universitetet i Basel fastslå at mer enn 90% av partiklene som initierte iskrystalldannelse ved høye temperaturer (-12 °C til -15 °C) om sommeren, var av biologisk opprinnelse. Den tilsvarende andelen om vinteren var fortsatt så høy som 50 til 85%.
Analysene og målingene utgjør sammen bevis for at biologiske partikler dominerer konsentrasjonen av iskrystall-dannende partikler ved høye temperaturer i Arktis.
Kunnskapen kan bidra til bedre klimamodeller
Paul Zieger, førsteamanuensis ved Stockholms Universitet og leder av prosjektet, understreker hvor viktige disse funnene er for klimaforskningen.
– Denne studien gir nødvendig innsikt i kildene og egenskapene til biologiske og is-nukleerende partikler i Arktis, sier han. – Kunnskapen gjør det mulig å forbedre klimamodellene med hensyn til hvordan aerosoler påvirker skyer i Arktis. Dette vil føre til redusert usikkerhet knyttet til estimatene for det menneskeskapte strålingspådrivet.
Mindre havis og mer snøfri tundra i løpet av de kommende tiårene vil gi økt opphav til biologiske partikler i Arktis. Bedre forståelse av sammenhengen mellom disse partiklene og skydannelse gir derfor nødvendig innsikt i de pågående og fremtidige endringene i det sårbare arktiske miljøet.
Les den åpne vitenskapelige artikkelen «Regionally sourced bioaerosols drive high-temperature ice nucleating particles in the Arctic» i Nature Communications.
