Die Entdeckung hängt mit dem Schnee auf dem Meereis zusammen und fügt den wissenschaftlichen Bedenken über den Verlust von arktischem Eis eine neue Dimension hinzu.
Von der National Science Foundation finanzierte Forscher der Purdue University haben entdeckt, dass sonnenbeschienener Schnee die Hauptquelle für atmosphärisches Brom in der Arktis ist, der Schlüssel zu einzigartigen chemischen Reaktionen, die Schadstoffe entfernen und Ozon zerstören.
Die neue Untersuchung zeigt auch, dass die Schneedecke über dem arktischen Meereis eine bisher nicht beachtete Rolle im Bromkreislauf spielt und dass der in den letzten Jahren immer schneller auftretende Verlust von Meereis äußerst störende Auswirkungen auf das Gleichgewicht von haben könnte Atmosphärenchemie in hohen Breiten.
Kerri Pratt, Postdoc-Stipendiatin der NSF in Polar Regions Research, führt ein Schneekammer-Experiment bei -44F Windchill in der Nähe von Barrow, Alaska, durch. Bildnachweis: Fotokredit Paul Shepson, Purdue University
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass das sich schnell ändernde arktische Klima, bei dem die Oberflächentemperaturen dreimal schneller als der globale Durchschnitt ansteigen, die atmosphärische Chemie dramatisch verändern könnte, sagte Paul Shepson, ein von der NSF finanzierter Forscher, der das Forschungsteam leitete. Die Experimente wurden von Kerri Pratt durchgeführt, einer Postdoktorandin, die von der Abteilung für Polarprogramme der NSF-Direktion für Geowissenschaften finanziert wurde.
"Wir versuchen genau zu verstehen, was in der Arktis passiert und wie es sich auf den Planeten auswirkt, denn es ist ein heikles Gleichgewicht, wenn es um eine Atmosphäre geht, die für das menschliche Leben gastfreundlich ist", sagte Shepson, der auch Gründungsmitglied der Purdue ist Forschungszentrum für Klimawandel. "Die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt Lufttemperaturen, Wettermuster und ist verantwortlich für chemische Reaktionen, die die Luft von Schadstoffen reinigen."
Ein Papier mit detaillierten Angaben zu den Forschungsergebnissen, von denen einige von der NSF und einige von der National Aeronautics and Space Administration finanziert wurden, wurde kürzlich online bei Nature Geoscience veröffentlicht.
Ozon in der unteren Atmosphäre verhält sich anders als das stratosphärische Ozon in der schützenden Ozonschicht des Planeten. Dieses Ozon der unteren Atmosphäre ist ein für Menschen und Pflanzen giftiges Treibhausgas, aber auch ein wesentliches Reinigungsmittel der Atmosphäre.
Mosaik von Bildern der Arktis von MODIS. Der hellste Punkt auf dem Bild ist Grönland, bedeckt mit Schneeweiß. Westlich und nördlich von Grönland erscheint Meereis hellgrau-blau.
Wechselwirkungen zwischen Sonnenlicht, Ozon und Wasserdampf erzeugen ein „Oxidationsmittel“, das die Atmosphäre der meisten Schadstoffe, die von Menschen freigesetzt werden, scheuert, sagte Shepson.
Die Temperaturen an den Polen sind zu kalt für die Existenz von viel Wasserdampf, und in der Arktis scheint dieser Reinigungsprozess auf Reaktionen auf gefrorenen Oberflächen mit molekularem Brom, einem aus Meersalz gewonnenen Halogengas, zu beruhen.
Dieses gasförmige Brom reagiert mit dem atmosphärischen Ozon und zerstört es. Dieser Aspekt der Bromchemie arbeitet in der Arktis so effizient, dass Ozon im Frühjahr häufig vollständig aus der Atmosphäre über dem Meereis abgebaut wird, stellte Shepson fest.
"Dies ist nur ein Teil der atmosphärischen Ozonchemie, den wir nicht sehr gut verstehen, und diese einzigartige arktische Chemie lehrt uns, welche Rolle Brom in anderen Teilen des Planeten spielen kann", sagte er. „Die Bromchemie vermittelt die Ozonmenge, ist jedoch abhängig von Schnee und Meereis, was bedeutet, dass der Klimawandel wichtige Rückwirkungen auf die Ozonchemie haben kann.“
Während bekannt war, dass es in polaren Regionen mehr atmosphärisches Brom gibt, ist die spezifische Quelle des natürlichen gasförmigen Broms seit mehreren Jahrzehnten fraglich, sagte Pratt, ein Postdoc-Stipendiat und Hauptautor der Arbeit, der von Polar Programs finanziert wurde.
"Wir dachten, dass der schnellste und beste Weg, um zu verstehen, was in der Arktis passiert, darin besteht, dorthin zu gehen und die Experimente genau dort durchzuführen, wo die Chemie abläuft", sagte Pratt.
Drei Eisbären nähern sich dem Steuerbordbogen des U-Bootes USS Honolulu (SSN 718) der Los Angeles-Klasse, während sie 280 Meilen vom Nordpol entfernt auftauchen. Die Bären sahen sich von der Brücke (Segel) des U-Bootes um und untersuchten das Boot fast zwei Stunden lang, bevor sie es verließen. Bildnachweis: Wikimedia
Sie und der Absolvent von Purdue, Kyle Custard, führten die Experimente bei -45 bis -34 Grad Celsius (-50 bis -30 Grad Fahrenheit) in der Nähe von Barrow, Alaska, durch. Das Team untersuchte Meereis, salzige Eiszapfen und Schnee im ersten Jahr und stellte fest, dass die Quelle des Bromgases der Schnee auf der Oberfläche über Meereis und Tundra war.
„Man hatte gedacht, dass Meereis die Quelle des gasförmigen Broms ist“, sagte sie. "Wir hatten einen" natürlich! "Moment, als wir erkannten, dass es der Schnee auf dem Meereis war. Der Schnee steht in direktem Kontakt mit der Atmosphäre. Meereis ist jedoch für den Prozess von entscheidender Bedeutung. Ohne ihn würde der Schnee in den Ozean fallen und diese Chemie würde nicht stattfinden.Dies ist einer der Gründe, warum sich der Verlust von Meereis in der Arktis direkt auf die Chemie der Atmosphäre auswirkt. “
Das Team entdeckte auch, dass Sonnenlicht die Freisetzung von Bromgas aus dem Schnee auslöste und das Vorhandensein von Ozon die Produktion von Bromgas erhöhte.
"Salze aus dem Ozean und Säuren aus einer Smogschicht namens Arctic haze treffen sich auf der gefrorenen Oberfläche des Schnees, und diese einzigartige Chemie entsteht", sagte Pratt. „Die Schnittstelle zwischen Schnee und Atmosphäre ist der Schlüssel.“
Es ist bekannt, dass in der Atmosphäre eine Reihe chemischer Reaktionen, die die Menge des vorhandenen Bromgases, die als „Bromexplosion“ bezeichnet wird, schnell vervielfachen. Das Team schlägt vor, dass dies auch in den Zwischenräumen zwischen den Schneekristallen auftritt und der Wind das Bromgas in die Luft über dem Schnee abgibt.
Das Team führte 10 Experimente mit Schnee- und Eisproben durch, die sich in einer „Schneekammer“ befanden, einer Box aus Aluminium mit einer speziellen Beschichtung zur Verhinderung von Oberflächenreaktionen und einer klaren Acrylplatte. Saubere Luft mit und ohne Ozon wurde durch die Kammer strömen gelassen und Experimente wurden bei Dunkelheit und in natürlichem Sonnenlicht durchgeführt.
Das Team maß auch die Gehalte an Brommonoxid, einer Verbindung, die durch die Reaktion von Bromatomen mit Ozon auf Flügen des Purdue Airborne Laboratory for Atmospheric Research gebildet wurde.
Shepson ist der Pilot dieses speziell ausgerüsteten Flugzeugs, das er und der Luftfahrttechniker Brian Stirm für diese Experimente von Indiana nach Barrow geflogen sind. Sie stellten fest, dass die Verbindung im ersten Jahr über schneebedecktem Meereis und Tundra am weitesten verbreitet war, was mit ihren Schneekammerversuchen übereinstimmte.
Die Experimente wurden von März bis April 2012 durchgeführt und waren Teil des Brom-, Ozon- und Quecksilber-Experiments der NASA oder von BROMEX. Das Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Reduktion des arktischen Meereises auf die Chemie der Troposphäre zu verstehen.
Die nächste Gruppe von Shepson plant, Laboruntersuchungen durchzuführen, um die vorgeschlagenen Reaktionsmechanismen zu testen und nach Barrow zurückzukehren, um weitere Schneekammer-Experimente durchzuführen.
Darüber hinaus ist Shepson Co-Leiter eines Teams, das eisgebundene Bojen zur Messung von Kohlendioxid, Ozon und Brommonoxid über den Nordpolarmeer verwendet, und Pratt arbeitet mit Wissenschaftlern der University of Washington zusammen, um die Chemie des Schnees in der gesamten Arktis zu untersuchen Ozean.
"In der Arktis vollzieht sich der Klimawandel rasant", sagte Pratt. "Eine große Frage ist, was mit der atmosphärischen Zusammensetzung in der Arktis passieren wird, wenn die Temperaturen steigen und Schnee und Eis weiter sinken?"
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