Sugars from the Ocean: A Key to Ice Nuclei in the Southern Hemisphere

Uitgebreide uitwisselingsprocessen vinden plaats tussen de oceaan en de atmosfeer, vooral hier aan de overgang tussen open zee en het ijsschild. Recent onderzoek heeft aangetoond dat de meeste ijskernen in de atmosfeer boven de Zuidelijke Oceaan, rond Antarctica, het gevolg zijn van suikerverbindingen van mariene micro-organismen in het zeewater.

Deze verbindingen komen via zee-aerosolen en verdamping in de schone lucht boven de zee terecht, waardoor waterdruppels bevriezen en dit invloed heeft op de vorming van wolken en neerslag. De vorming van ijs in wolken heeft een grote invloed op het klimaat, omdat ijskristallen in wolken zonlicht veel sterker weerkaatsen dan pure waterwolken.

Deze resultaten benadrukken het belang van biologische bronnen voor neerslagvorming in afgelegen mariene gebieden zoals rond Antarctica. Onderzoekers van het Leibniz Instituut voor Troposferisch Onderzoek (TROPOS) en de Arctic University of Norway in Tromsø hebben hun studie recent gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Science & Technology.

Icevorming beïnvloedt de stralingskenmerken, neerslagvorming en de levensduur van wolken. De vorming van ijs wordt mogelijk gemaakt door zogenaamde ijskern nucleërende deeltjes (INP’s). In afgelegen mariene gebieden zoals de Zuidelijke Oceaan, waar de INP-concentraties in de schone atmosfeer laag zijn, zijn grote verschillen in stralingseffecten tussen modellen en metingen waargenomen. Een beter begrip van de bronnen en eigenschappen van ijskernen, zoals aerosoldeeltjes afkomstig van zee-aerosolen, is daarom noodzakelijk om klimaatmodellen te verbeteren.

Al meer dan tien jaar is bekend dat ijsvormende macromoleculen, geproduceerd door mariene micro-organismen zoals schimmels, protisten of gisten in zeewater, via zee-aerosolen de atmosfeer kunnen binnendringen. Voor terrestrische bronnen is er nu enige kennis om de macromoleculen aan specifieke eiwitten en polysachariden toe te wijzen. In tegenstelling tot deze kennis was er eerder een gebrek aan inzicht in de chemische identiteit van deze ijsvormende macromoleculen uit mariene bronnen. “Tijdens de Polarstern-expeditie PS106 in 2017 observeerden we verhoogde glucoseconcentraties in Arctische monsters en concludeerden we dat deze glucose een indicator kon zijn voor ijskernen in zeewater,” legt Dr. Sebastian Zeppenfeld van TROPOS uit.

Een kosmos van micro-organismen zoals bacteriën, algen, mariene diatomeeën, haloarchaea, virussen, gisten en schimmels leeft in de oppervlaktefilm van de oceanen die zeewater van de atmosfeer scheidt. Naast algen en bacteriën, die voornamelijk bijdragen aan de productie en afbraak van biomassa, trekken mariene schimmels nu ook wetenschappelijke belangstelling. Aangezien hun potentiële rol als ijskernen nog grotendeels onontdekt was, hebben de onderzoekers mariene schimmels nader bestudeerd.

In deze studie onderzochten we de ijskernvorming van mariene polysachariden afkomstig van mariene schimmels en protisten, evenals commercieel beschikbare standaard polysachariden,” rapporteert Dr. Susan Hartmann van TROPOS.

De resultaten zijn een verzameling gegevens die aangeven hoeveel ijskernen bij welke temperaturen door welke componenten in de wolkdruppels worden gevormd. De nu gepubliceerde gegevens zijn de eerste over protisten en schimmels uit zeewater die de eerder genoemde polysachariden produceren en de ijsvorming katalyseren.

Het was al bekend dat mariene biologie grote aantallen ijskernen in de atmosfeer produceert. De nieuwe studie heeft nu aangetoond dat de polysachariden het totale aantal biologische ijskernen verklaren tussen ongeveer -15 en -20°C. In combinatie met de nieuwe gegevens bieden verschillende andere studies een gedifferentieerd beeld van welke componenten in de ongerepte atmosfeer van de zuidelijke hoge breedten verantwoordelijk zijn voor ijs in de wolkdruppels: in warme wolken onder -2°C zijn dit voornamelijk eiwitten, in gematigd koude wolken onder -10°C zijn dit voornamelijk de nu bewezen polysachariden en alleen in zeer koude wolken onder -20°C domineert het welbekende mineraalstof.

De gemengde fase-wolken met vloeibaar water en ijs bevinden zich meestal in het temperatuurbereik tussen -15 en -20°C, d.w.z. precies in het bereik waarin de polysachariden tot de belangrijkste ijskernen behoren. “In onze simulaties hebben we aangetoond dat bij -15 tot -16°C de polysachariden over de gigantische gebieden van de oceanen in de schone Zuidelijke Hemisfeer waarschijnlijk de belangrijkste ijskernen zijn, d.w.z. zij dragen meer bij aan ijsvorming dan mineraalstof die uit de woestijnen wordt uitgestoten, wat normaal gesproken wordt verondersteld de belangrijkste soort ijskernen in klimaatmodellen te zijn,” vat Dr. Roland Schrödner van TROPOS samen.

De studie is het resultaat van jaren van voorbereidende werkzaamheden door drie groepen bij TROPOS. De Aerosolmicrofysica onderzoekt al lange tijd de ijsvorming in wolkdruppels, de Atmosferische Modellering onderzoekt de invloed van verschillende typen deeltjes op het klimaat, en de Atmosferische Chemie analyseert de chemische samenstelling. De onderzoekers hadden eerder de concentraties van polysachariden in de atmosfeer gemeten tijdens verschillende expedities, waaronder de Spaanse Antarctische expeditie PI-ICE, de Duitse Arctische expeditie PASCAL/PS106, de MarParCloud-campagne in de tropische Atlantische Oceaan en metingen op Spitsbergen in het Arctische gebied. Deze nieuwe bevindingen werden alleen mogelijk door het combineren van dit werk.

Vanuit het perspectief van de onderzoekers benadrukt deze studie het belang van natuurlijke biologische componenten in de atmosfeer en dat de biosfeer en de atmosfeer nauw met elkaar verbonden zijn in het Aardse systeem. Als de ambitieuze klimaatbeschermingsdoelen van veel landen in de komende decennia worden gerealiseerd, wordt verwacht dat mensgemaakte emissies zullen afnemen en natuurlijke aerosoldeeltjes nog belangrijker zullen worden voor de microfysica van wolken.

Wolken in een schone omgeving, d.w.z. met een laag aantal druppels, reageren gevoeliger op fluctuaties in de aerosolconcentratie. De schone Zuidelijke Hemisfeer rond Antarctica is daarom bijzonder spannend voor wolkenonderzoek: De “HALO-South” missie van het Duitse onderzoeksvliegtuig HALO zal van juli tot oktober 2025 de interactie van wolken, aerosolen en straling over de Zuidelijke Oceaan rond Nieuw-Zeeland nader onderzoeken onder leiding van TROPOS. De metingen in de lucht zullen worden aangevuld met metingen op de grond.

Tijdens de “goSouth-2” meetcampagne zullen onderzoekers van TROPOS en de Universiteit van Leipzig samen met andere partners de wolken van de Zuidelijke Oceaan onderzoeken. Daartoe zal het mobiele aerosol- en wolkafstandsmeetsysteem LACROS worden ingezet nabij Invercargill, aan de zuidelijke punt van Nieuw-Zeeland, van september 2025 tot maart 2027. De wolken van de minder antropogeen beïnvloede Zuidelijke Hemisfeer herbergen nog veel geheimen die de onderzoekers van Leipzig hopen te onthullen in de komende jaren.