Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate
(2016)- Abstract
- This thesis focuses on the influence of volcanism on the compositions of the aerosols in the upper troposphere (UT) and
lowermost stratosphere (LMS), and their direct and indirect impact on climate. Aerosol data were obtained by aircraft-borne
sampling, using the CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Instrument
Container) platform, and laboratory-based ion beam analysis of aerosol samples at the Lund Ion Beam Analysis Facility
(LIBAF). Aerosol composition data were compared to particle size distributions obtained from onboard optical particle counter
(OPC) measurements, demonstrating good agreement between the two analysis systems. The impact on... (More) - This thesis focuses on the influence of volcanism on the compositions of the aerosols in the upper troposphere (UT) and
lowermost stratosphere (LMS), and their direct and indirect impact on climate. Aerosol data were obtained by aircraft-borne
sampling, using the CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Instrument
Container) platform, and laboratory-based ion beam analysis of aerosol samples at the Lund Ion Beam Analysis Facility
(LIBAF). Aerosol composition data were compared to particle size distributions obtained from onboard optical particle counter
(OPC) measurements, demonstrating good agreement between the two analysis systems. The impact on climate was
investigated using satellite observations of aerosol and optical properties of cirrus clouds. These were provided by the CALIOP
and MODIS instruments onboard the NASA satellites CALIPSO, Terra and Aqua.
The aerosol load in the LMS has varied considerably since 2000, mainly due to volcanic injections of particles and particleforming
gases. Tropical volcanoes affect the LMS for up to two years after eruption, through transport within the Brewer-
Dobson circulation. In contrast, extra-tropical volcanoes inject aerosols directly into the LMS, which subside to the UT within
months. The eruption of Kasatochi in August 2008 increased the aerosol load in the northern hemisphere LMS by a factor of
~10. Apart from sulfate and ash, both fresh and aged volcanic aerosols contain surprisingly large amounts of carbonaceous
aerosols, and the value of the oxygen:carbon ratio (O/C) of ~2 indicates an organic origin. Entrainment of the organic aerosol
present in the tropospheric background within volcanic jets and plumes was suggested to be the cause.
Using CALIOP data, it was shown that the stratospheric aerosol at altitudes below 15 km constitutes a significant part of the
volcanic forcing. During the period from 2008 to the middle of 2012, volcanic forcing in the LMS constituted 30% of that in
the rest of the stratosphere. In addition, volcanism was found to have a significant influence on aerosol concentrations in the
UT of the northern hemisphere. Comparison with cirrus reflectance (CR) data obtained using the MODIS instrument
revealed a strong anti-correlation between the CR and particulate sulfur mass concentration, suggesting that the volcanic
aerosol affected midlatitude cirrus clouds. In 2011, the CR was 8% lower than in 2001. Since cirrus clouds warm the Earth,
this decrease is associated with regional cooling.
The results of these studies show that previous estimates of the impact of volcanism on climate have been underestimated. The
investigations of the direct and indirect radiative effects of volcanism on the UT and LMS presented here provide new
information on the effect of volcanism on the Earth’s climate. This will allow more realistic estimates of the impact of
volcanism on climate variability, and improve climate models providing more realistic projections of future global
temperatures. (Less) - Abstract (Swedish)
- Popular Abstract in Swedish
I atmosfären finns mikroskopiskt små luftburna partiklar. Till skillnad från
makroskopiska partiklar sedimenterar dessa så kallade ’aerosol-partiklar’ så sakta att de
följer med den omgivande luftens rörelser. I atmosfärens nedre luftlager (troposfären)
avlägsnas aerosolpartiklarna från atmosfären av nederbörd. Partiklarna deponerar
därför inom någon vecka. Ovanför troposfären uppstår däremot ingen nederbördsbildning.
I detta luftlager (stratosfären) följer partiklarna därför med luftens rörelser.
Eftersom lufttransporten ner till troposfären är långsam kan aerosolpartiklar som nått
stratosfären stanna kvar i luften i flera... (More) - Popular Abstract in Swedish
I atmosfären finns mikroskopiskt små luftburna partiklar. Till skillnad från
makroskopiska partiklar sedimenterar dessa så kallade ’aerosol-partiklar’ så sakta att de
följer med den omgivande luftens rörelser. I atmosfärens nedre luftlager (troposfären)
avlägsnas aerosolpartiklarna från atmosfären av nederbörd. Partiklarna deponerar
därför inom någon vecka. Ovanför troposfären uppstår däremot ingen nederbördsbildning.
I detta luftlager (stratosfären) följer partiklarna därför med luftens rörelser.
Eftersom lufttransporten ner till troposfären är långsam kan aerosolpartiklar som nått
stratosfären stanna kvar i luften i flera år.
Ett flygplan, tre satelliter och en partikelaccelerator
I denna avhandling presenteras forskning kring förekomsten av aerosolpartiklar i
främst stratosfären och övre troposfären, deras beståndsdelar, geografiska och vertikala
spridning, variationer över tiden, samt deras påverkan på Jordens klimat. Studierna
baseras på data från aerosolprov och -mätningar tagna (mellan år 1999-2013 ) på 10-
12 km höjd med ett passerarflygplan inom forskningskonsortiet CARIBIC, samt data
ifrån tre satelliter (CALIPSO, Terra och Aqua). Satelliterna använder olika optiska
mätmetoder för att undersöka strålningsegenskaperna för partiklar och moln, medan
en annan optisk metod via flygplansmätning genererar data över partiklarnas storlek. I
ett laboratorium bombarderas proverna från flygplansmätningar med protoner
accelererade med en partikelaccelerator för att även mäta aerosolpartiklarnas kemiska
beståndsdelar och masskoncentrationer utav dessa.
Aerosolpartiklarnas sammansättning
Partiklar i stratosfären antas vanligtvis bestå utav svavelsyra och vatten. Därutöver
innehåller partiklarna stora mängder kolmaterial och diverse föreningar med metaller.
En ny upptäckt är att kolfraktionen i stratosfäriska partiklar huvudsakligen är
organisk (ej sot). Svavelsyran bildas främst från karbonylsulfid och svaveldioxid. Vid
förbränning av fossila bränslen emitteras stora mängder svaveldioxid, varav det mesta
deponerar på marken som surt regn. Karbonylsulfid, som huvudsakligen har naturliga
källor, kan däremot överleva den långsamma transporten upp till stratosfären, där den
bryts ner av UV-ljus och bildar svavelsyrapartiklar. Kraftiga vulkanutbrott kan dock
transportera vulkanisk svaveldioxid upp till 10-tals km höjd.
Vulkaniska aerosolpartiklar och deras klimatpåverkan
Aerosolpartiklar påverkar Jordens klimat på flera sätt. Genom att reflektera tillbaka
solens strålning ut i rymden hindrar partiklarna solljuset från att värma upp Jordens
yta, vilket ger en kylande effekt på klimatet. Under de senaste 10 åren har mängden
partiklar i stratosfären varierat mycket, främst pga. flera vulkanutbrott. De vulkaniska
partiklarna har under denna period kylt klimatet och därmed bidragit till att dölja en
del av den globala uppvärmningen som människans växthusgasutsläpp genererar.
Vulkanutbrott kan transportera stora mängder partiklar och partikelbildande gaser till
hög höjd. Når det vulkaniska molnet stratosfären blir partiklarnas kylande effekt
långvarig. Efter vulkanen Pinatubos kraftiga utbrott i Filipinerna år 1991 sjönk
Jordens medeltemperatur med cirka 0,5°C under det efterföljande året.
Trots att 40% av stratosfärens luft ligger under 15 km höjd inkluderas vanligtvis inte
partiklarna i denna luftmassa (lägsta stratosfären) vid uppskattningar av klimatpåverkan
från vulkanism. I denna avhandling presenteras forskning som visar att
lägsta stratosfären var påverkad av vulkaniska partiklar under större delen av perioden
2005-2013. Mellan vintern 2008 och sommaren 2012 gav partiklar i lägsta
stratosfären en klimatpåverkan som motsvarar cirka 30% utav den från övriga
stratosfärens partiklar. Deras kylande effekt bidrog därmed till att motverka den
globala uppvärmningen.
Vulkanismen kan också ha påverkat molnen, eftersom vattenånga behöver ytor att
kondensera på för att bilda moln. I stratosfären bildar vattenånga inte moln, men i
troposfären sker all molnbildning i samverkan med aerosolpartiklar. I den kalla övre
troposfären består molnen utav små iskristaller. Dessa så kallade cirrusmoln isolerar
och värmer Jorden genom att stänga inne en andel av dess värmestrålning. En ny
upptäckt är att nedtransport av luft ifrån stratosfären starkt påverkar förekomsten av
partiklar i övre troposfären. Samtidiga variationer i cirrusmolnens reflektion tyder på
att partiklarna har påverkat dem. Från 2001 till 2011 sjönk reflektansen för
cirrusmolnen på norra halvklotet med 8%, vilket sannolikt gett en kylande effekt på
Jordens klimat. Störst var förändringen över Europa, Atlanten och Nordamerika,
områden med tät flygtrafik. En möjlig förklaring till cirrusmolnens förändrade
egenskaper kan vara att partiklar i övre troposfären (t.ex. sot ifrån flygplanen) kan bli
sämre på att binda vattenånga när de blandas med de vulkaniska partiklarna. Idag vet
vi inte hur stor påverkan vulkaniska partiklar har på cirrusmolnen. Kanske kan
ytterligare flyplansmätningar och satellitobservationer kombineras med
modellberäkningar för att ge klarhet i detta. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/8572428
- author
- Friberg, Johan LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Kerminen, Veli-Matti, Department of Physics, University of Helsinki, Finland
- organization
- publishing date
- 2016
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- lowermost stratosphere, volcanic aerosol, upper troposphere, sulfurous aerosol, carbonaceous aerosol, ion beam analysis, volcanism, indirect effect, radiative forcing, direct effect, Stratosphere, Fysicumarkivet A:2016:Friberg
- pages
- 160 pages
- defense location
- Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University, Faculty of Engineering
- defense date
- 2016-02-26 09:15:00
- ISBN
- 978-91-7623-592-8
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- 96cd9bc2-25ea-4d10-af24-43f8f0ced9d5 (old id 8572428)
- date added to LUP
- 2016-04-04 13:11:42
- date last changed
- 2019-03-12 12:26:24
@phdthesis{96cd9bc2-25ea-4d10-af24-43f8f0ced9d5, abstract = {{This thesis focuses on the influence of volcanism on the compositions of the aerosols in the upper troposphere (UT) and<br/><br> lowermost stratosphere (LMS), and their direct and indirect impact on climate. Aerosol data were obtained by aircraft-borne<br/><br> sampling, using the CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the Atmosphere Based on an Instrument<br/><br> Container) platform, and laboratory-based ion beam analysis of aerosol samples at the Lund Ion Beam Analysis Facility<br/><br> (LIBAF). Aerosol composition data were compared to particle size distributions obtained from onboard optical particle counter<br/><br> (OPC) measurements, demonstrating good agreement between the two analysis systems. The impact on climate was<br/><br> investigated using satellite observations of aerosol and optical properties of cirrus clouds. These were provided by the CALIOP<br/><br> and MODIS instruments onboard the NASA satellites CALIPSO, Terra and Aqua.<br/><br> The aerosol load in the LMS has varied considerably since 2000, mainly due to volcanic injections of particles and particleforming<br/><br> gases. Tropical volcanoes affect the LMS for up to two years after eruption, through transport within the Brewer-<br/><br> Dobson circulation. In contrast, extra-tropical volcanoes inject aerosols directly into the LMS, which subside to the UT within<br/><br> months. The eruption of Kasatochi in August 2008 increased the aerosol load in the northern hemisphere LMS by a factor of<br/><br> ~10. Apart from sulfate and ash, both fresh and aged volcanic aerosols contain surprisingly large amounts of carbonaceous<br/><br> aerosols, and the value of the oxygen:carbon ratio (O/C) of ~2 indicates an organic origin. Entrainment of the organic aerosol<br/><br> present in the tropospheric background within volcanic jets and plumes was suggested to be the cause.<br/><br> Using CALIOP data, it was shown that the stratospheric aerosol at altitudes below 15 km constitutes a significant part of the<br/><br> volcanic forcing. During the period from 2008 to the middle of 2012, volcanic forcing in the LMS constituted 30% of that in<br/><br> the rest of the stratosphere. In addition, volcanism was found to have a significant influence on aerosol concentrations in the<br/><br> UT of the northern hemisphere. Comparison with cirrus reflectance (CR) data obtained using the MODIS instrument<br/><br> revealed a strong anti-correlation between the CR and particulate sulfur mass concentration, suggesting that the volcanic<br/><br> aerosol affected midlatitude cirrus clouds. In 2011, the CR was 8% lower than in 2001. Since cirrus clouds warm the Earth,<br/><br> this decrease is associated with regional cooling.<br/><br> The results of these studies show that previous estimates of the impact of volcanism on climate have been underestimated. The<br/><br> investigations of the direct and indirect radiative effects of volcanism on the UT and LMS presented here provide new<br/><br> information on the effect of volcanism on the Earth’s climate. This will allow more realistic estimates of the impact of<br/><br> volcanism on climate variability, and improve climate models providing more realistic projections of future global<br/><br> temperatures.}}, author = {{Friberg, Johan}}, isbn = {{978-91-7623-592-8}}, keywords = {{lowermost stratosphere; volcanic aerosol; upper troposphere; sulfurous aerosol; carbonaceous aerosol; ion beam analysis; volcanism; indirect effect; radiative forcing; direct effect; Stratosphere; Fysicumarkivet A:2016:Friberg}}, language = {{eng}}, school = {{Lund University}}, title = {{Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/6068538/8572429.pdf}}, year = {{2016}}, }