26 nov. 2009

Aerosoler, moln och klimat: Kosmiska strålar I

Vi har i en tidigare post givit en introduktion till luftburna partiklars inverkan på väder och klimat. Efter vår post om solens inverkan är det nu dags att gå igenom de påstådda sambanden mellan kosmiska strålar och molnbildning, och därigenom vårt klimat.






Så som filmen demonstrerar krävs det partiklar som vattenånga kan kondensera på för att dimma eller moln ska bildas. Annars håller sig vattenångan övermättad i luften. Partiklar med egenskapen att vara "attraktiva" för vattenånga att kondensera på kallas molnnukleationskärnor (CCN, Cloud Condensation Nuclei). En viktig egenskap är att de inte får vara för små, en diameter runt 100-200 nanometer ett vanlig tröskelvärde. En stor del av antalet partiklar i atmosfären är så kallade sekundära partiklar, vilket avser att de är bildade genom kondensation av gaser. Exempelpå detta är organiska ämnen, som vid oxidation i atmosfären blir mindre flyktiga (dvs får lägre jämviktsångtryck), blir övermättade och tillsammans med vattenmolekyler kondenserar till fast fas eller vätska. Svaveldioxid som blir till svavelsyra och kväveoxider som blir salpetersyra kan gå samma öde till mötes.



Figur 1. Blåaktigt dis bestående av sekundära partiklar i Blue Mountains, Australien.

Nukleationshändelser
Dock bildas som regel inte nya partiklar kontinuerligt i atmosfären. Så länge bildandet av mindre flyktiga ämnen i luften sker tillräckligt långsamt och det redan finns partiklar kommer de bildade molekylerna att fastna på de redan befintliga partiklarna istället för att bilda nya. Under speciella mikrometeorologiska förutsättningar, med snabb oxidation och få redan befintliga partiklar, kan nya partiklar bildas i stort antal. Dessa sk. nukleationshändelser har observerats i vitt skilda miljöer, allt från finsk barrskog som är nästan helt opåverkad av mänsklig aktivitet till kraftigt förorenade områden som exempelvis Mexico City.

Både naturliga och människoalstrade ämnen deltar i dessa processer. Det som händer i grova drag är att molekyler klumpar ihop sig till kluster, som sedan växer till genom att fler molekyler fastnar på dem. Den detaljerade beskrivningen av processen är dock oklar, mycket beroende på svårigheter med mätteknik. Sedan många år tillbaka finns mätutrustning som klarar att räkna partiklar med diametrar ner mot ungerfär 3 nanometer, vilket möjliggjort den mycket stora mängd studier som forskare gjort, både i lab och i fält. Dock har dessa instrument inte kunnat följa av de första stegen hos en nukleationshändelse.

Joninducerad nukleation

Det finns problem med de teoretiska beskrivningarna av nukleationsprocesser. De modeller som används ger ofta alldeles för få partiklar jämfört med mätningarna. Något saknas i vår förståelse, helt enkelt. Forskare har föreslagit ett antal lösningar på detta, varav joninducerad nukleation1 är en. Idén är att den elektriska överskottsladdningen hos joner i luften kan stabilisera små kluster av några få molekyler så att de kan fortsätta växa, en tanke som är väl förankrad i de modeller som beskriver sådana system. Det är välkänt att kosmiska strålar är en viktig källa till joner i atmosfären, så vi har ett tänkbart orsakssamband:

Kosmiska strålar -> joner -> kluster -> partiklar -> CCN -> molndroppar -> täta moln med lång livstid -> högre albedo -> nedkylning

Forskare i Köpenhamn (bland andra Henrik Svensmark) har genomfört laboratorieexperiment2 som visar att droppar av svavelsyra och vatten bildas mer effektivt i närvaro av joner. Bevisar då det att koldioxiden saknar klimatpåverkan, att Köpenhamnsmötet bör ställas in och en rättegång bör inledas mot klimatforskarna?

Nej, inte riktigt så. I laboratorieexperiment försöker forskare bara variera ett fåtal parametrar, medan de andra hålls konstanta. På detta sätt kan ett samband härledas, men det gör också att resultaten inte utan eftertanke kan tillämpas på den komplexa situation som råder i den verkliga atmosfären. I fallet med de danska experimenten finns flera sådana problem. Koncentrationen av svaveldioxid är högre än vad den vanligtvis är i atmosfären och experimenten följer inte partiklarnas tillväxt upp till den storlek som krävs för att de ska vara aktiva i molnnukleation. Dessutom finns andra, mer beprövade, hypoteser om att organiska ämnen bidrar vid nukleationen.

Det tycks florera ett missförstånd bland så kallade "skeptiker" i klimatfrågan som gör gällande att medan alla andra forskare satt introvert och trixade med datormodeller, kavlade Svensmark upp ärmarna och började göra experiment. Så är naturligtvis inte fallet, det pågår massor med experimentell forskning om aerosolers bildning och tillväxt på många institutioner över hela världen.

Mätningar i atmosfären
Nyligen har finska forskare3 utvecklat en mätuppställning som kan detektera partiklar som är ännu mindre än 3 nanometer och även avgöra ifall dessa är laddade eller inte. Mätningar i Hyytiälä i den finska barrskogen visade att joninducerad nukleation spelade en underordnad roll. Givetvis måste fler mätningar i olika miljöer tillkomma för att kunna dra fullständiga slusatser. Partikelbildning har studerats i Hyytiälä sedan 1990-talet och nyligen har statistiska analyser av de eventuella sambanden mellan kosmisk strålning publicerats4. Inga eller mycket svaga samband hittades.

Satelliterna då, dom borde väl kunna säga något? Jo, Henrik Svensmark med medarbetare har genom åren föreslagit ett antal olika korrelationer mellan kosmiska strålar och olika parametrar som beskriver aerosoler och moln. Dessa har granskats av andra forskare och har funnits vara falska eller spuriösa. Nu har en ny artikel5 publicerats där drastiska minskningar i flödet av kosmiska strålar på grund av händelser på solen kopplas till minskad molnighet. En annan studie6 visar ingen, eller ytterst liten, effekt av samma händelser.

Vi kan alltså dra slutsatsen att beläggen för en kraftig inverkan av kosmiska strålar på väder och klimat på Jorden är spretiga och ganska svaga. I en kommande post tänker vi ta upp frågan om hur väl den på pågående uppvärmningen kan beskrivas av förändringar i flödet av kosmiska strålar.

Referenser:1. Enghoff och Svensmark, 2008, Atmos. Chem. Phys., 8, 4911–4923.
2. Enghoff mfl., 2008, J. Phys. Chem., 112, 10305–10309.
3. Kulmala mfl., 2007, Science, 318, 89-92.
4. Kulmala mfl., 2009, Atmos. Chem. Phys, Discuss. 9, 21525–21560.
5. Svensmark mfl., 2009, Geophys. Res. Lett., 36, L15101.
6. Kristjánsson mfl., 2008, Atmos. Chem. Phys., 8, 7373-7387.

13 kommentarer:

  1. Jag vill gratulera till användningen av ordet spuriös som jag faktiskt aldrig sett förut, och även till att ni inte helt sågar Svensmarks hypotes. Det är ju ändå en framgång! Sedan anser jag förstås att ni har fel på en rad punkter:

    1. Mätningen av aerosoler i de finska skogarna är inte upplagd på så sätt att den kan förväntas ge stöd för Svensmarks hypotes. Detta eftersom att den dominerande källan för aerosoler vid marknivå är utsläpp från mänsklig verksamhet (och även från biologiska processer) av olika kemiska substanser. Det kan finnas en nybildning av aerosoler tack vare kosmiska strålar, men den lär inte upptäckas i de finska mätningarna p.g.a. alla aerosoler av annat ursprung. Om man ser denna artikel som ett motbevis mot Svensmarks hypotes har man inte riktigt förstått förutsättningarna för denna.

    2. De tidiga modeller som Friis och Svensmark presenterade spekulerade i en korrelation mellan kosmiska strålar och totalt molntäcke. Det visade sig inte hålla. När man senare gick över till att titta på låga moln så stämde det bättre. Detta samband har inte alls visat sig vara falskt och jag noterar att ni inte har brytt er om att ge referens för detta påstående (Jag hoppas att det inte är Peter Lauts gamla kritik ni kommer dragandes med). Huruvida korrelationen är spuriös eller ej återstår att se, men Svensmark har presenterat en teoretisk förklaring till varför det är just de låga molnen som påverkas, något som till en början kanske låter motsägelsefullt.

    3. Kristjanssons artikel tas ofta upp som ett motbevis mot Svensmarks senaste artikel om Forbush-decreases. Det är viktigt att notera att Svensmark använt fler parametarar än Kristjansson (tre oberoende) när han studerar dessa händelser. Samtliga uppvisar en tydlig effekt. Jag har ännu inte hittat en enda konkret invändning som håller mot detta Svensmarks resultat. Ni här på Uppsalainitiativet lutar er bekvämt mot Kristjansson et. al. , men anför egentligen ingenting i sak. Denna artikel är förmodligen Svensmark starkaste och visar tydligt att kosmiska strålar påverkar molnbildning (däremot säger den ingenting om hur stor effekten ev. är på klimatet).

    Ni säger att Vi kan alltså dra slutsatsen att beläggen för en kraftig inverkan av kosmiska strålar på väder och klimat på Jorden är spretiga och ganska svaga och det är egentligen en ganska bra sammanfattning! Fast jag själv skulle stryka de sista tre orden och ganska svaga.

    SvaraRadera
  2. Bengt:
    1. Jag har aldrig läst att Svensmark anser att barrskog är ett dåligt ställe att observera joninducerad nukleation på. Dessutom har har du fel angående källorna till partiklar i barrskog, som i rurala områden (i ett sådant som Hyytiälä ligger) är just barrskogen själv. Den typiska barrskogsdoften kommer från organiska ämnen som kallas terpener och dessa oxideras, varpå deras jämviktsångtryck sänks och de kondenserar till partiklar. Detta sker helt utan mänsklig påverkan. Eftersom barrskogsbältet i Norden, Ryssland och Nordamerika täcker ungefär 8% av jordens yta har dessa partiklar en högst betydelsefull roll i klimatsystemet.

    2&3. Jag tänker bla. på Laut (2003) men även Sloan och Wolfendale (2008) och Kristjánssons arbeten.

    Huruvida Svensmarks senaste arbete håller eller inte får framtiden utvisa. Förresten försöker de underbygga sina resultat teoretiskt i en ny artikel.

    SvaraRadera
  3. Jo, jag vet att barrskogen släpper ifrån sig diverse kemiska substanser. Det var liksom därför jag skrev och även biologiska processer i mitt inlägg. P.g.a. detta är det svårare att finna en tydlig signal ifrån aerosoler bildade genom kosmisk strålning. Och visst finns det antropogena utsläpp i Hyytiälä som ligger en bit norr om Tammerfors, en av Finlands större städer.

    Av de två artiklar du hänvisar är det ingen som håller som motbevis mot Svensmark. Lauts kritik har Svensmark bemött här och Sloan & Wolfendale får svar av prof Shaviv här.

    SvaraRadera
  4. Bengt, jag hänger inte riktigt med på varför Hyytiälä skulle vara en dålig plats att observera INU och jag har fortfarande inte sett att Svensmark eller någon associerad har påstått något liknande.

    Nukleationshändelser kräver att det är relativt få förexisterande partiklar i förhållande till mängden kondenserbara molekyler. Nukleationshändelser observeras ofta i Hyytiälä och om INU är en viktig process borde det märkas där. Har du något ställe som du menar lämpar sig bättre för observationer av INU och varför skulle dessa vara bättre?

    Tack för dina länkar, men Svensmarks tydligt affekterade svar imponerar inte. Jag ska försöka förstå Shavivs svar när jag får tid.

    SvaraRadera
  5. Svensmark menar att aerosolbildning genom kosmisk strålning har störst betydelse i de luftlager där man har få naturliga pre-aerosoler (eller nanopartiklar eller vad man nu ska kalla det). De platser på jordklotet som är aktuella är då i första hand över oceanerna en bit upp från havsytan (eftersom havet ger ifrån sig bl.a. salt som kan bilda aerosoler). Där vore det ideala stället att testa Svensmarks hypotes. Tyvärr är det svårt rent praktiskt.

    I skogen i Finland har man fullt av kemiska substanser, från bl.a. barrskogen som du nämner, som bildar aerosoler utan joniserande strålning. Kulmala et al (2009) konstaterar också att ion-induced formation contributes typically less than 10% to the number of new particles, which would explain the missing correlation between CRII and aerosol formation. 90% av aerosolerna bildas alltså genom andra processer och dessa 90% dränker en eventuell signal från kosmisk strålning => aerosolbildning.

    Jag håller med dig om att Svensmark är lite yvig i sitt svar till Laut, men det beror på att han redan förut bemött kritiken. Peter Laut tjatar om samma sak om och om igen, nu senast i vetenskapsmagasinet på SVT. Här är ett tidigare (och mer detaljerat) svar på Lauts kritik.

    Jag skulle gärna se att du/ni var mer explicita. Lauts kritik består exempelvis av åtmistone tre olika delar. Tycker ni att han har rätt i allt? Eller vad är mest allvarligt? Och när det gäller Sloan & Wolfendale har även deras kritik tre spår. Har de rätt i allt de säger eller tycker ni att någon del av deras kritik är speciellt graverande? Jag menar att inget av Lauts eller Sloan & Wolfendales ”motbevis” håller så det vore intressant att höra er detaljerade kritik.

    SvaraRadera
  6. Bengt, den mening från Kulmala som du citerar är just den poäng jag vill ha fram. När man har undersökt nukleation i naturen (och i lab också för den delen), ser man att neutral nukleation dominerar över joninducerad. Eller, med lite andra ord, av dom partiklar som nukleeras i finsk barrskog har mindre än 10% nukleerats mha INU.

    Vad gäller nukleation av marina partiklar har kunskapsläget sammanfattats här.

    Jag har inte gått igenom detaljerna i de kritiska artiklarna/blogginläggen men ska göra det när andan faller på. Det är dock relevant att påpeka att de artiklar jag anfört har genomgått sakkunniggranskning, till skillnad från den kritik de har fått.

    SvaraRadera
  7. Det har varit väldigt svårt för Svensmark att få in saker i peer review tidsskrifter (En intressant bakgrund till detta ger de omskrivna CRU-mailen som visar hur man sökt påverka peer review-processen). Om man mot förmodan får in ett svar brukar detta vara hårt begränsat när det gäller längd (antal ord) och kan därför sällan vara speciellt detaljerat. Så jag tycker det finns anledning att ta både Shavivs och Svensmarks detaljerade svar på allvar, fastän de inte är sakkunniggranskade.

    Den artikel du länkar till tycks handla om aerosolbildning i marin miljö, nära havsytan. Den process Svensmark beskriver antas äga rum högre upp i atmosfären där kemiska substanser från havet har mindre påverkan.

    Vill också passa på att länka till en översiktsartikel av Usoskin. Ibland får man intryck av att Svensmark är ensam om de här idéerna, men så är inte fallet. Usoskin sammanfattar här kunskapsläget kring kosmiska strålar och klimatet.

    SvaraRadera
  8. Bengt, vilka speciella atmosfärskemiska förhållanden gäller i de högre luftlager över haven du skriver om är det som gör att INU blir viktigt just där?

    SvaraRadera
  9. De speciella atmofäriska förhållanden som du frågar efter är att det finns relativt få aerosloer. Då kan aerosoler bildade genom kosmiska strålar ha väsentlig betydelse. Jämför gärna med fenomenet shiptracks som beskrivs i avsnitt 5 här i Marsh & Svensmark (2000).

    Väntar fortfarande på detaljerad kritik av Svensmarks arbeten.

    SvaraRadera
  10. Bengt, problemet är att det inte räcker med låga partikelkoncentrationer. I inlägget skrev jag:
    Dock bildas som regel inte nya partiklar kontinuerligt i atmosfären. Så länge bildandet av mindre flyktiga ämnen i luften sker tillräckligt långsamt och det redan finns partiklar kommer de bildade molekylerna att fastna på de redan befintliga partiklarna istället för att bilda nya. Under speciella mikrometeorologiska förutsättningar, med snabb oxidation och få redan befintliga partiklar, kan nya partiklar bildas i stort antal. Dessa sk. nukleationshändelser har observerats i vitt skilda miljöer, allt från finsk barrskog som är nästan helt opåverkad av mänsklig aktivitet till kraftigt förorenade områden som exempelvis Mexico City.

    Du måste alltså ha snabbare bildning av ämnen med lågt ångtryck än vad dessa produkter kan kondensera på redan befintliga partikler. Detta sker under vissa förhållanden, men i flertalet olika miljöer. Mer specifikt krävs källor av volatila ämnen som oxideras och blir mindre volatila, samtidigt som att källorna till partiklar är små. Vilka är de oxiderbara volatila ämnena över haven och vilka är deras källor? Varför skiljer sig situationen så dramatiskt från det i Hyytiälä att INU skulle bli betydelsefullt där?

    Jag hittar inga påståenden av det slaget i Enghoff (ACP, 2008). Dessutom skulle en inskränkning till dessa områden göra de experiment Svensmarks grupp utfört helt irrelevanta. De koncentrationer av svaveldioxid de använder är flera storleksordningar större än vad som är i ren luft över haven.

    Att utsläpp av partiklar från exempelvis fartyg skapar artificiella moln påvisar inget om nukleationen.

    Som jag sagt ska jag läsa och försöka förstå de svar på bla. Laut du anfört, men det kommer nog ta lite tid. Det ligger en bit utanför mitt område. Håll ut.

    SvaraRadera
  11. Angående mätningarna Hyytiälä så är det mycket möjligt att det finns en korrelation mellan aerosoler och kosmiska strålar, men min poäng är att det är svårt att hitta denna i mängden av andra nukleationer. För att göra en halvdålig liknelse – det är svårt att upptäcka att någon skjuter på en med vattenpistol när man står i ösregn.

    Svensmarks experiment är inte irrelevanta, men det är sant att luftens renhet i reaktionskammaren är av stor betydelse. Detta var en svårighet för Svensmark i SKY-experimentet och CLOUD-experimentet i CERN har betydligt större budget och därmed bättre möjlighet att kontrollera dessa parametrar.

    Jasper Kirkby presenterar här bakgrunden till CLOUD som just nu startar upp nere i Schweiz. Se speciellt sida 29 där ett förslag till mekanism för nukleation presenteras. Även sida 30 är intressant i vår diskussion eftersom här förklaras hur stor betydelse denna process kan tänkas ha i oilka luftlager/regioner.

    SvaraRadera
  12. Bengt A, jag råkade trycka på fel 'knapp' när jag modererade. Ursäkta för det. Här är i alla fall länken till den artikel du tipsade om, som visar att beteendet hos molnigheten över 'West Pacific Warm Pool' verkar variera med solaktiviteten.

    Om Svensmark hade förutsagt detta som en följd av hans teori hade det ju varit mäkta imponerande. Men det har han ju inte, så det kvarstår som ett udda fenomen som behöver förklaras.

    SvaraRadera
  13. Nej, det stämmer väl inte riktigt med "Svensmarks effekt" som lär ska ha större betydelse på höga latituder (närmare polerna).

    Däremot sägs ofta från AGW-håll att det inte finns några vetenskapliga belägg för en koppling mellan solaktivitet och molnighet. Eller som du själv säger i det inledande inlägget ...Dessa har granskats av andra forskare och har funnits vara falska eller spuriösa....

    Jag tycker att det är väl hårda ord eftersom det med jämna mellanrum dyker upp artiklar som visar på en koppling. Återstår att ta reda på hur denna koppling fungerar.

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet