Deeltjesvorming in de atmosfeer was altijd een vast gegeven: die vormen op basis van zwavelzuur. Onderzoekers lukte het maar niet om het proces in hun smogkamer na te bootsen: Er was meestal een hogere zwavelzuurconcentratie nodig dan in de open atmosfeer. ECN-er Bart Verheggen was betrokken bij een dergelijk aerosolonderzoek: “Wij hebben ontdekt dat organische verbindingen een bijna net zo’n grote rol kunnen spelen als zwavelzuur. Met deze resultaten is het mogelijk om de klimaatmodellen te verfijnen.”
Deeltjes in de atmosfeer (ook wel aerosolen of fijn stof genoemd) hebben een grote invloed op het klimaat. Ze reflecteren een deel van de zonnestraling. En ze dragen bij aan de vorming van wolken, die op hun beurt ook zonnestraling weerkaatsen en bovendien warmtestraling van onze planeet vasthouden. Verheggen: “Aerosolen beïnvloeden onze gezondheid en het klimaat. De verschillende theorieën over hoe ze gevormd worden in de atmosfeer vertonen lacunes. Met ons onderzoek hebben we weer een puzzelstukje op zijn plaats gelegd.”
Het gaat hier om deeltjes van 1-3 nanometer, waarvan het ontstaan en de groei met ‘gewone’ meetinstrumenten niet waarneembaar is. Wat we ervan weten is gebaseerd op metingen aan deeltjes als ze al gegroeid zijn door bijvoorbeeld condensatie en samenklontering. Deze kennis wordt nog maar beperkt meegenomen in klimaatmodellen. Volgens Verheggen is het voor die modellen zeer belangrijk om te weten welke factoren daadwerkelijk van invloed zijn op de hoeveelheid aerosolen. En het onderzoek aan het Paul Scherrer Institut heeft aangetoond dat organische stoffen zo’n factor vormen.”
Links: Verband tussen concentratie organische deeltjes (kleurverloop van paars naar rood) en zwavelzuur-
deeltjes (horizontaal) op ontstaanssnelheid van aerosolen in atmosfeer (verticaal. Grijze stippen zijn veldmetingen in de bossen bij Hyytiälä in Finland. Gekleurde stippen zijn resultaat van metingen in de Zwitserse smogkamer.
Smogkamer
De onderzoekers hebben de resultaten van hun onderzoek in de smogkamer weergegeven in een grafiek. Op bijgevoegde grafiek is de snelheid van de deeltjesvorming (“J1.5”) langs de Y-as uitgezet. Horizontaal, op de X-as, zie je de zwavelzuurconcentratie die benodigd is om een bepaalde snelheid van deeltjesvorming te verkrijgen. Bij een gelijkblijvende concentratie aan zwavelzuur (denkbeeldige verticale lijn) zie je dat er nog flink wat variatie is in de hoeveelheid deeltjes die gevormd worden. Deze variatie blijkt te worden verklaard door de hoeveelheid organische stof in de smogkamer – van paarsblauw (lage concentratie) tot knalrood (hoge concentratie). Verheggen: “Met TMB (trimethylbenzeen) hadden we in de smogkamer een directe factor voor aerosolvorming te pakken, een bijna lineair verband nota bene. In de natuur zijn organische deeltjes, zoals terpenen uitgestoten door de Finse bossen, dus wellicht net zo belangrijk als zwavelzuur. Wij verdedigen de stelling dat in de atmosfeer deeltjesvorming mede afhankelijk is van organische deeltjes.”
Voorlopers van organische moleculen
Dankzij dit onderzoek is een grote stap voorwaarts gezet in het onderzoek naar aerosolvorming in de atmosfeer. Wie dieper graaft, stuit nog op voldoende vragen en onzekerheden die nader onderzocht moeten worden. Maar volgens Verheggen is nu een duidelijke richting bepaald waarin vervolgonderzoek kan plaatsvinden. “Nu bekend is dat organische deeltjes en aerosolvorming een direct verband hebben, is het zaak om te speuren naar voorlopers van die organische moleculen. Als die in kaart zijn gebracht, kun je zien welke daarvan een relatie hebben met uitstoot door de natuur (bijv. door bomen en planten uitgestoten terpenen) dan wel menselijke activiteiten (industriële processen, verkeer en energieopwekking). Dan heb je concrete instrumenten ter verfijning van klimaatmodellen.”
Bij klimaatmodellen gaat het niet, anders dan bij fijnstofnormen, om de massa maar om de aantallen deeltjes. Verheggen: “Hoe meer we te weten komen over de grootte en het aantal deeltjes in de atmosfeer en hun verblijftijd in diezelfde atmosfeer, hoe beter en verfijnder de input wordt voor klimaatmodellen. We moeten ernaar streven om de goed meetbare massa van aerosol met voldoende nauwkeurigheid te herleiden tot aantallen deeltjes. Dat gebeurt nu al, maar met veel te grote onzekerheden. Nu is er de kans een goede hypothese van aerosolvorming te creëren en die op te nemen in klimaatmodellen.”
Broeikasgassen
De wereldpolitiek is gebaat bij goede klimaatmodellen. De aantallen deeltjes in de atmosfeer zijn een factor in deze modellen, maar dat zijn de concentraties broeikasgassen ook. Maar tussen de gassen en de deeltjes is een groot en kenmerkend verschil: de verblijftijd in de atmosfeer. Verheggen: “Broeikasgassen blijven lang in de atmosfeer, aerosol niet. Afhankelijk van hun grootte is hun verblijftijd enkele dagen tot een paar weken. Bovendien is hun verspreiding in de atmosfeer grillig. Dat maakt het moeilijk om hun effect op het klimaatsysteem vast te stellen. Op korte termijn (decennia), denk ik, kan de impact van de verandering van de deeltjesconcentratie bepalend zijn. Op de lange termijn (halve eeuw en meer) zijn de broeikasgassen (hoofdzakelijk CO2) de overheersende factoren die het klimaat bepalen.”
Grof gesteld zorgen broeikasgassen voor opwarming van de atmosfeer, de aerosolen voor afkoeling. Dat de gemiddelde temperatuur de afgelopen 150 jaar is toegenomen, komt doordat de opwarming (door broeikasgassen) groter was dan de afkoeling (door deeltjes). Tussen 1950 en 1980 is de aerosolconcentratie sterk toegenomen en die heeft met zijn koelende effect de opwarming beperkt gehouden. Na 1980 is vooral in Europa de aerosolconcentratie afgenomen, daardoor verminderde de bijbehorende koelende werking en is de temperatuur nog eens extra toegenomen.
Voor wie hieraan twijfelt: in dezelfde periode is ook de hoeveelheid mist, nevel en heiigheid in Europa afgenomen. Dat zijn atmosferische verschijnselen die vrijwel direct samenhangen met aerosolconcentratie.
Energietechnologie en aerosolonderzoek
Als onderzoekinstituut voor energietechnologie verwacht je niet direct betrokkenheid van een ECN-er bij dit onderzoek naar deeltjesvorming, maar Bart Verheggen heeft er een simpele verklaring voor: “ECN heeft internationaal erkende expertise op aerosolgebied, nog stammend uit de tijd van het onderzoek naar de verspreiding van radioactief materiaal door de lucht en naar de bodem. Tegenwoordig wordt deze kennis toegepast in het zure-regenonderzoek, het fijnstofonderzoek en nu dus ook in het klimaatonderzoek. Verder was deeltjesvorming in de atmosfeer het onderwerp van mijn promotieonderzoek in Canada. En ik heb drie jaar bij het Paul Scherrer Institut in Zwitserland gewerkt. Het is een zusterinstituut van ECN, waar ik werk bij Luchtkwaliteit & Klimaatverandering. Binnen deze groep houden we ons ook bezig met aerosol, naast andere activiteiten (meten en modelleren) op het gebied van broeikasgassen.”
Contact
Bart Verheggen
ECN Biomassa, Kolen & Milieuonderzoek / Luchtkwaliteit & Klimaatverandering
Tel.: 022 456 40 33
E-mail: Bart Verheggen
Info
Evidence for the role of organics in aerosol particle formation under atmosferic conditions. Is als artikel verschenen in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2010
Climate change and the impact of aerosol
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
