Studies of Volcanic Influence on Aerosols, Clouds and Climate

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 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.

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 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.

• author: Friberg, Johan
• supervisor: Bengt Martinsson
• opponent: Professor Kerminen, Veli-Matti, Department of Physics, University of Helsinki, Finland
• organization: Nuclear physics; Ergonomics and Aerosol Technology; Aerosol, Nuclear Physics-lup-obsolete (research group); MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Climate Research
• 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