研究人員報告了不同北極地區(qū)冰成核顆粒濃度的年度變化

由萊布尼茨對流層研究所(TROPOS)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組首次研究了冰芯中的大氣冰成核顆粒(INPs)，這可以提供有關(guān)北極地區(qū)云層覆蓋類型的見解。 500年。這些INP在云中形成冰中起著重要作用，因此對氣候產(chǎn)生重大影響。然而，到目前為止，只有少數(shù)測量可以追溯到幾十年前。新方法可以提供有關(guān)氣候檔案中歷史云的信息，從而填補(bǔ)氣候研究知識方面的巨大空白。

來自TROPOS，哥本哈根大學(xué)，伯爾尼大學(xué)和Paul Scherrer研究所的團(tuán)隊在“ 地球物理研究快報 ”雜志上寫道，幾個世紀(jì)以來大氣中冰成核顆粒濃度變化的研究結(jié)果將有助于氣候研究人員更好地理解未來的氣候變化。

氣候檔案對于重建過去的氣候以及對未來氣候的發(fā)展作出重要評論非常重要。在歐洲，只有大約300年才觀察和記錄天氣。然而，對于之前和沒有氣象站的地點，研究取決于自然檔案的結(jié)論。古氣候研究使用各種各樣的自然檔案，如樹木年輪，冰芯或沉積物。

在最近的幾十年，許多方法已經(jīng)被開發(fā)和完善使用間接指標(biāo)(氣候代理人)得出關(guān)于氣候因素，如溫度，降水，火山爆發(fā)和太陽活動的結(jié)論。除其他外，云層對降水負(fù)責(zé)，但它們非常難以捉摸，因此很難研究。但云的數(shù)量，類型和范圍及其冰含量對大氣輻射預(yù)算，地面溫度和降水影響很大，因此影響云的參數(shù)信息對氣候重建具有重要意義。

德國，丹麥和瑞士的國際研究團(tuán)隊現(xiàn)在介紹了如何提高我們對云的知識及其在氣候歷史中的作用的方法。據(jù)他們說，該團(tuán)隊首次重建了冰芯中冰核顆粒(INP)的濃度。這些測量可用于將來重建云層。

“混合相云中的冰形成主要是由不均勻的冰層形成，即INP是刺激過冷云滴凍結(jié)所必需的。因此，這些粒子的數(shù)量和類型會影響云層的降水，壽命和輻射特性。在實驗室中，我們能夠證明兩種類型的顆粒特別適用于此目的：來自土壤的礦物塵埃以及各種生物顆粒，如細(xì)菌，真菌孢子或花粉，“云團(tuán)長Frank Stratmann博士解釋說。 TROPOS工作組。

冰芯通常用于重建各種氣候參數(shù)，例如數(shù)千年來的溫度，降水或火山爆發(fā)。對于現(xiàn)在發(fā)表的研究，該團(tuán)隊能夠利用北極的兩個冰芯部分：核心Lomo09在2009年海拔1200米的斯瓦爾巴群島的Lomonosovfonna冰川上鉆探。冰芯EUROCORE精心提取1989年從格陵蘭冰蓋峰頂海拔3000多米。

這些核心的冷凍樣本被送到萊比錫，在那里檢查INP。冰的小樣品熔化，熔化的水分成許多小滴的1和50微升。將這些液滴置于兩個實驗裝置中，每個裝置具有幾乎100個微小的槽，然后以受控方式冷卻。這些設(shè)置以前用于其他研究：萊比錫冰核陣列(LINA)和冰核液滴陣列(INDA)是液滴以受控方式冷卻的儀器。通過玻璃窗，研究人員可以觀察到哪個溫度下有多少滴凍結(jié)。然后將冷凍液滴的數(shù)量轉(zhuǎn)換成冰成核顆粒的濃度。“2015年，美國研究人員從雪和降水中獲取了大氣INP濃度。對我們的方法來說，對降水有效的方法也適用于冰樣。所以我們是第一個證明歷史冰核濃度也可以從冰芯中提取出來的人，“TROPOS的馬庫斯哈特曼說，他作為博士論文的一部分進(jìn)行了調(diào)查。

這為古氣候研究開辟了新的可能性。自20世紀(jì)30年代以來，從世界各地的冰川中提取了無數(shù)冰芯，并重建了過去的氣候。關(guān)于云相的信息(即，它是否含有冰或液態(tài)水)不可用。極地和大氣研究人員的研究是朝這個方向邁出的第一步。由于該團(tuán)隊沒有連續(xù)的冰芯，它只能重建1735年至1989年格陵蘭島和斯瓦爾巴群島1480至1949年的冰核顆粒?？偟膩碚f，在過去的半個千年中，冰成核顆粒沒有趨勢。“然而，北極只有大約25年的大幅度變暖。現(xiàn)在分析的冰是在強(qiáng)烈變暖開始之前形成的。因此，冰芯和新冰將是可取的，“Markus Hartmann補(bǔ)充道。

研究人員無可爭議的是，人類通過排放引起全球變暖。但是，目前還不清楚大氣層中云層的變化程度。因此，研究人員也希望通過研究空氣中的冰成核顆粒獲得重要的見解。2016年秋/冬，來自北京大學(xué)，TROPOS，哥德堡大學(xué)和中國科學(xué)院的團(tuán)隊測量了中國首都北京空氣中冰成核顆粒的濃度。但是，他們無法證明與那里的高水平空氣污染有任何聯(lián)系。

“因此，我們認(rèn)為北京的冰核顆粒更多來自天然來源，如沙塵暴或生物圈，這兩種物質(zhì)都被稱為冰成核顆粒的來源，而不是來自人為燃燒過程，”?？瞬┦空f。 TROPOS的Wex。但這是一個地方的快照，不應(yīng)忘記人類的間接影響：土地利用或干旱的變化會對大氣和生物圈中的塵埃產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致云層的變化。“為了更好地了解人類對大氣的影響，云研究人員在空氣污染的熱點地區(qū)(如新興大都市的大都市)以及極地等相對清潔的地區(qū)進(jìn)行測量。

到目前為止，人們對北極冰成核顆粒的數(shù)量，性質(zhì)和來源知之甚少，盡管它們是云形成的重要因素，因而也是那里氣候的重要因素。具有每月或每周時間分辨率的長時間序列實際上不存在，但對于調(diào)查季節(jié)性影響是必不可少的。在大氣化學(xué)和物理雜志上歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟(EGU)的開放獲取期刊，也是由TROPOS領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊，最近發(fā)表了關(guān)于北極冰核濃度季節(jié)變化的概述。來自2012/2013年和2015/2016年的北極四個研究站的樣本在TROPOS的萊比錫云實驗室進(jìn)行了調(diào)查：加拿大的警報，斯匹次卑爾根的Ny-Ålesund(挪威)，阿拉斯加的Utqiagvik(巴羅)和美國的Villum (北站)在格陵蘭(丹麥)。

“這讓我們對季節(jié)之間的變化進(jìn)行了概述：從春末到秋天，空氣中最多的是冰成核顆粒，冬季和春季開始時發(fā)現(xiàn)最少。這影響了北極的云層類型在一年中發(fā)生了變化，因此云層對北極變暖的影響也在變化，“Heike Wex解釋說。研究人員希望這些研究能夠更好地預(yù)測氣候變化，因為氣候模型目前無法充分反映北極變暖，這將導(dǎo)致從海平面上升到歐洲區(qū)域氣候變化等不確定因素。

生物圈與氣候之間復(fù)雜的反饋過程也將成為MOSAiC探險的一部分：2019年9月，由阿爾弗雷德韋格納研究所(AWI)領(lǐng)導(dǎo)的德國研究破冰船Polarstern將在北冰洋漂流一年。由額外的破冰船和飛機(jī)提供，來自17個國家的600名人員將參加MOSAiC探險。AWI與國際合作伙伴一起負(fù)責(zé)五個主要研究領(lǐng)域：海冰物理和積雪，大氣和海洋過程，生物地球化學(xué)循環(huán)和北極生態(tài)系統(tǒng)。TROPOS將在兩個中心測量中發(fā)揮主導(dǎo)作用：首先，整個冰漂的遙感容器將使用激光雷達(dá)，雷達(dá)和微波輻射計不斷探索垂直氣溶膠和云分布。另一方面，系留氣球?qū)⒃陲w行區(qū)段內(nèi)盡可能準(zhǔn)確地測量北極邊界層。兩種測量都允許或多或少地直接檢測冰成核顆粒的垂直分布。此外，TROPOS將再次研究海洋和熔池的表層微層，這可能是北極地區(qū)冰成核顆粒的主要來源。

自2016年以來，德國研究基金會(DFG)的TR172“北極擴(kuò)增”協(xié)作研究中心一直在調(diào)查北極變暖的原因遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球其他地區(qū)。除萊比錫大學(xué)外，研究網(wǎng)絡(luò)還包括不來梅和科隆大學(xué)，阿爾弗雷德韋格納研究所，亥姆霍茲極地和海洋研究中心(AWI)以及萊比錫萊布尼茨對流層研究所(TROPOS)。Tilo Arnhold