Aerosol optical properties and radiative forcing over the European Arctic in the lght of absorbing particles

Aerozole pełnią ważną funkcję w systemie klimatycznym wpływając na modyfikacje strumieni promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze. W przeciwieństwie do gazów cieplarnianych, odpowiedzialnych za ogrzewanie układu klimatycznego Ziemi, aerozole w pierwszym przybliżeniu przyczyniają się do jego ochładzania. Mieszanina aerozolu wzbogacona o cząstki absorbujące fotony, może jednak przyczynić się do ogrzewania systemu klimatycznego Ziemi w szczególności, gdy znajduje się ponad powierzchnią o wysokim albedo. Skomplikowane mechanizmy oddziaływań bezpośrednich i pośrednich aerozolu z komponentami systemu klimatycznego Ziemi wpływa na wysoki stopień niepewności w oszacowaniu wymuszenia radiacyjnego. Błędy te mają szczególne znaczenie w środowiskach wrażliwych na zmiany klimatu, n.p. w obszarach polarnych. Badanie własności aerozolu w Arktyce stanowi ważną i często poruszaną problematykę w dziedzinie nauk o środowisku.

Niniejsza praca doktorska wpisuje się w główny nurt badań nad zmianami klimatu obszarów polarnych. Celem dysertacji były rozważania nad własnościami optycznymi, mikro-fizycznymi oraz radiacyjnymi aerozolu obserwowanego wiosną w Europejskiej części Arktyki. W szczególności, zwrócono uwagę na długookresowe zmiany (czasowe i pionowe) powyższych zmiennych oraz związki statystyczne pomiędzy własnościami aerozolu. Wyniki badań zawarte w dysertacji uzyskano na podstawie 4 wiosennych eksperymentów naukowych zorganizowanych w latach 2014 - 2017 w europejskiej części Arktyki, tj. Ny-Alesundzie (78.9°N, 11.9°E) na Svalbardzie. Kampanie pomiarowe dostarczyły unikalnego zestawu danych o zmienności pionowej oraz czasowej własności optycznych i mikro-fizycznych aerozolu atmosferycznego. Analizę danych wzbogacono o podobne dane pozyskane ze stacji monitoringu jakości powietrza oraz informacje pochodzącę z reanaliz globalnych modeli transportu zanieczyszczeń. Na podstawie modelu transferu radiacyjnego przeprowadzono teoretyczne badania nad wpływem własności fizycznych mieszaniny aerozolu na lokalny bilans radiacyjny.

Wyniki analiz wykazały słabą zmienność pionową parametrów optycznych (współczynnika absorpcji oraz całkowitej koncentracji aerozolu) w warstwie granicznej atmosfery oraz powyżej niej. Wskazuje to na brak lokalnych źródeł emisji cząstek co związane jest z faktem, że główna kontrybucja aerozolu w Arktyce pochodzi z transportu dalekozasięgowego z niższych szerokości geograficznych. Transport ten odbywa się głównie w wolnej troposferze. Wydajność źródeł aerozolu oraz główne korytarze transportu wydają się podlegać w ostatnich 10 latach zmianom, które związane są prawdopodobnie z modyfikacjami cyrkulacji atmosferycznej, przeobrażeniami ekonomicznymi oraz zmianami klimatu. Wnioski te wynikają z przeprowadzonej analizy czasowej zmienności optycznych parametrów ekstensywnych aerozolu (istotny statystycznie ujemny trend aerozolowej grubości optycznej wiosną t.j., -0.02 ± 0.01 na dekadę i dodatni latem t.j. 0.02 ± 0.01 na dekadę).

Przeprowadzone rozważania teoretyczne nad wpływem aerozolu na transfer promieniowania w Arktyce wykazały, że obserwowana podczas kampanii iAREA mieszanina cząstek ma negatywny efekt na lokalną równowagę bilansu radiacyjnego atmosfery. Wymuszanie radiacyjne na górnej granicy atmosfery nad obszarami pokrytymi śniegiem jest równe -1.5 ± 1.3 W/m2 natomiast nad powierzchnią oceanu wolną od lodu wynosi aż -8.9 ± 4.8 W/m2. Ujemne wartości wymuszeń radiacyjnych wynikają z faktu, że transportowany aerozol nad obszary polarne podlega procesom starzenia, w efekcie powodując znaczące zmniejszenie zdolności mieszaniny do absorpcji promieniowania słonecznego.

Aerosols play a major role in the Earth's climate system by influencing light propagation in the atmosphere. Unlike well-mixed greenhouse gases, that induce warming of the Earth's climate system, aerosols indicate its cooling in the first approximation. In turn, particle mixture containing absorbing aerosols may induce radiative warming when they exist over bright surfaces. Complicated mechanisms underlying aerosol interactions with components of the Earth's climate system lead to the propagation of high uncertainties in estimating radiative forcing. Studying underlying systematic error levels in radiative forcing is crucial in environments sensitive to climate change (e.g. in the polar regions). Therefore aerosols are a subject to many studies in the field of atmospheric research.

This doctoral dissertation aims to characterise aerosol optical, micro-physical and radiative properties governing the European Arctic region in spring focusing mainly on their long-term variability (in a temporal and vertical sense) and statistical relationships. Research conducted here was based on data from 4 field experiments carried out in the European Arctic, namely Ny-Alesund (78.9°N, 11.9°E), Svalbard in spring 2014 - 2017. Field campaigns provided a unique set of ground-based data as well as profiles of aerosol optical and microphysical properties. Analyses were complemented by similar in-situ surface measurements obtained from monitoring stations in the High Arctic as well as data-sets provided from the reanalysis of global transport models. Further to this, a theoretical study concerning the impact of aerosol optical and microphysical properties on local radiative balance is being investigated using radiative transfer simulations.

Analyses performed in this dissertation revealed weak vertical variability in aerosol optical and microphysical properties (absorption coefficient and total particle number concentration) within the Arctic boundary layer and above it. This likely indicates a lack of strong local aerosol sources and relates to the fact that most aerosol in the Arctic is long-range transported, preferentially in the free troposphere, from mid-latitudes. In the last decade, main trajectories of air advection into the Arctic as well as the efficiency of far aerosol sources seem to undergo noticeable changes, likely as a result of modifications in atmospheric circulation patterns, economical transformations as well as climate change. Presented conclusions are in line with performed analysis on temporal variability in aerosol extensive properties, that have shown a statistically-significant negative trend in aerosol optical depth in spring, i.e. -0.02 ± 0.01 10/yr and a positive one in summer of 0.02 ± 0.01 10/yr.

Research concerning theoretical studies on the impact of aerosol on radiative transfer in the Arctic atmospheric column has indicated that aerosol mixture present during iAREA campaigns on average had a cooling effect on the local radiative balance of the atmosphere. Radiative forcing calculated at the top of the atmosphere was negative, reaching -1.5 ± 1.3 W/m2 over surfaces covered with snow, whereas its value over the ocean surface was as high as -8.9 ± 4.8 W/m2. Aerosol having primarily cooling radiative effect even over bright surfaces relates to the high efficiency of ageing processes, active during particle long-range transport, which causes a significant decline in aerosol light-absorption ability.