Onderzoek naar zee-aerosolen onthult fundamentele verschillen tussen kusten en open oceanen

Internationaal onderzoek naar zeewateraerosolen onthult belangrijke verschillen tussen kustlijnen en open oceanen

Een internationaal team van onderzoekers, geleid door Jian Wang, professor in energie-, milieu- en chemische technologie, heeft ontdekt dat sterke golfbreking langs de kust, vooral tijdens perioden met hoge golven, grote hoeveelheden zeewateraerosolen kan produceren. Dit verhoogt aanzienlijk zowel het aantal cloudcondensatiekernen als de massa van luchtdeeltjes in kustgebieden.

Ongeveer 71% van het aardoppervlak is bedekt door de uitgestrekte oceanen. Wanneer winden over het zeeoppervlak waaien, wordt energie overgedragen op het water, waardoor golven ontstaan. Sommige van deze golven breken onder invloed van sterke winden en produceren kleine luchtdeeltjes die zeewateraerosolen worden. Dit proces komt voor in alle oceanen en is een van de grootste bronnen van aerosolen ter wereld. Ondanks tientallen jaren van onderzoek begrijpen wetenschappers nog steeds niet volledig de impact op het klimaat van onze planeet, vooral hoezeer ze bijdragen aan de deeltjes die clouds vormen, bekend als cloudcondensatiekernen.

In vergelijking met de open oceanen beslaan de ondiepe wateren langs de kust slechts een klein deel van het zeeoppervlak. Veel meetstations voor mariene aerosolen bevinden zich echter in de buurt van kustlijnen, en hun metingen worden vaak gebruikt om aerosolen over open oceanen te bestuderen. Dit roept een belangrijke vraag op: weerspiegelen zeewateraerosolen nabij de kust werkelijk wat er gebeurt in open oceanen, wat betreft hoe ze worden gevormd, hoe hoog hun concentraties zijn en hoeveel ze bijdragen aan cloudcondensatiekernen?

Het onderzoeksteam ontdekte dat de sterke golfbreking langs de kust, vooral tijdens hoge golven, kan leiden tot een aanzienlijke toename van zeewateraerosolen. Dit resulteert in een significante stijging van het aantal cloudcondensatiekernen en de massa van luchtdeeltjes in kustgebieden. Wang leidde het team aan de McKelvey School of Engineering van de Washington University in St. Louis.

Het proces van aerosolproductie aan de kust is fundamenteel anders dan dat in de open oceanen. Hierdoor kan het gebruik van kustmetingen om zeewateraerosolen in open oceanen te schatten leiden tot aanzienlijke overschattingen. De resultaten van dit onderzoek werden gepubliceerd in Science Advances.

Wang en zijn team, waaronder Shengqian Zhou, een postdoctoraal onderzoeker in Wang’s lab en eerste auteur van het artikel, ontdekten dat swell-golven—lange golven die ver van de kust ontstaan en niet direct verbonden zijn met lokale wind—vaak de golfenergie in kustgebieden domineren. Omdat golffrequentie, en niet de lokale windsnelheid, de productie van zeewateraerosolen nabij de kust controleert, vertoont de concentratie van zeewateraerosolen nabij de kust vaak weinig correlatie met de windsnelheid. Dit staat haaks op de gangbare veronderstelling dat windsnelheid kan helpen bij het schatten van de emissies van zeewateraerosolen.

“Stormen boven de open oceanen genereren windgolven,” zegt Zhou. “Nadat de storm voorbij is, worden deze golven omgevormd tot swell-golven en kunnen ze duizenden kilometers verder reizen. Wanneer ze uiteindelijk de kust bereiken, kunnen ze breken door wrijving met de zeebodem of door direct tegen de kust te botsen, wat een deel van hun energie in de atmosfeer vrijgeeft in de vorm van zeewateraerosolen.”

Hun gegevens toonden aan dat de bijdrage van zeewateraerosolen aan cloudcondensatiekernen en de concentratie van aerosolen kan toenemen met meer dan drie keer en kan meer dan 10 microgram per kubieke meter overschrijden. Deze effecten zijn wijdverspreid, omdat een groot deel van de kustlijnen wereldwijd regelmatig te maken heeft met sterke golven. Een analyse van golfstatistieken nabij 12 atmosferische observatoria langs de kust, variërend van de Noord-Atlantische Oceaan tot Australië, toonde aan dat hoge-golfperiodes meer dan de helft van de tijd in sommige seizoenen bij verschillende stations voorkomen, waarbij swell-golven een dominante rol spelen.

“We wisten dat deze golfbreking aan de kust zeewateraerosolen genereert, maar veel onderzoekers hebben zich gericht op deeltjes groter dan 1 micrometer, die de massa-concentratie kunnen domineren maar in aantal gering zijn,” zegt Wang. “Onze studie toont aan dat deze golfbreking aan de kust talrijke kleine deeltjes genereert die een grote bijdrage leveren aan de cloudcondensatiekernen in de kustgebieden. Dit betekent dat veel eerdere studies die kustmetingen hebben gebruikt om zeewateraerosolen over open oceanen te bestuderen, waarschijnlijk hun bijdrage aan cloudcondensatiekernen en dus de effecten op clouds en klimaat hebben overschat.”

Bovendien kan zeewater nabij de kust ook aanzienlijke milieueffecten hebben in de kustgebieden. Wanneer de golven hoog zijn, neemt de massa-concentratie van deeltjes (PM) toe—een belangrijke overweging voor de luchtkwaliteit. Terwijl zeezout op zich misschien niet schadelijk is, zei Zhou, worden de verontreinigende stoffen in het zeewater, zoals biogene toxines, schadelijke algen en andere antropogene verontreinigingen, door de zeewateraerosolen in de atmosfeer afgegeven en vervolgens door mensen ingeademd. Dit kan sterke gevolgen hebben voor de volksgezondheid, vooral in kustgebieden met hoge golven, vervuild zeewater en dichte bevolkingen.

“Bestaande regionale modellen houden geen rekening met de productie van aerosolen aan de kust, of ze berekenen het onjuist door te vertrouwen op lokale windsnelheid,” voegde Zhou eraan toe. “Dit maakt het moeilijk voor modellen om de werkelijke overvloed en variaties van zeewateraerosolen in het kustmilieu nauwkeurig vast te leggen. Een dieper begrip van dit aerosolproductieproces is nodig om de potentiële milieueffecten en gezondheidsimpact op gemeenschappen langs de kust beter te beoordelen en te voorspellen.”