Vuur in de lucht: Sterke zomerstormen in het Midwesten brengen rook van bosbranden naar de voorheen ongerepte stratosfeer

Schematische weergave van stratosferische dynamiek en deeltjes.

In de Midwest zijn krachtige, plotselinge zomerstormen met torenhoge wolken een kenmerk van het seizoen. Hoewel het Indiase subcontinent beroemd is om zijn moessonseizoen, hebben veel mensen geen idee dat de midwestelijke Verenigde Staten ook een eigen moessonseizoen hebben, dat bijna net zo sterk is.

Deze moesson in de Midwest breekt steeds vaker door naar de stratosfeer, een normaal gesproken ongestoorde laag van de atmosfeer, en brengt brandende biomassa en aerosolen van westelijke bosbranden met zich mee, wat potentieel zorgwekkende gevolgen heeft voor de ozonlaag en het klimaat. Nieuwe onderzoeken tonen aan dat deze stormen als een gat in de romp van een schip werken, waardoor verontreinigingen en deeltjes uit de onderste atmosfeer binnenkomen.

Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met NASA, waarbij een hooggelegen onderzoeksvliegtuig metingen verrichtte in de afgelegen delen van de stratosfeer. Het team, onder leiding van professor Dan Cziczo van de afdeling Aarde, Atmosferische en Planetarische Wetenschappen aan Purdue University, ontdekte dat de lagere stratosfeer tijdens grote bosbrandseizoenen vol zat met deze biomassa-deeltjes.

Cziczo verklaarde: “In de zomer krijgen we in de Midwest vaak luchtkwaliteitswaarschuwingen door bosbranden, omdat het klimaat warmer wordt en het land droger. Dit wordt steeds gebruikelijker, maar we dachten dat dit zich allemaal dicht bij het aardoppervlak afspeelde. We vlogen met dit onderzoeksvoertuig de stratosfeer in, de volgende laag van de atmosfeer, die gescheiden zou moeten zijn. Wat we echter ontdekten, is dat de lagere stratosfeer tijdens deze grote bosbrandseizoenen vol zit met deze deeltjes.”

Een scheur in de lucht

Cziczo en zijn team bestuderen de mechanica van de atmosfeer, met name hoe, waarom, wanneer en waar wolken en stormen zich vormen. Ze zijn vooral geïnteresseerd in de manier waarop warme, vochtige lucht vanuit de Golf van Mexico omhoog beweegt, tegen de Rocky Mountains botst en ernstige zomerstormen en regen vormt, vergelijkbaar met hoe de zomermoesson in India ontstaat.

Normaal gesproken kunnen grote stormen en wolken niet verder uitbreiden dan de druk- en windlaag die de overgang tussen de troposfeer en de stratosfeer markeert. Maar dat is niet altijd het geval. De top van de storm kan zo krachtig worden dat deze uitbarst in de stratosfeer, wat een overshooting top wordt genoemd. Dit is een fontein van wolk, een geiser van storm die de stratosfeer binnenstroomt en verontreinigingen, aerosolen en brandende biomassa meeneemt.

De stratosfeer is het domein van de ozonlaag, die een buffer vormt die een groot deel van de zonnestraling absorbeert en helpt te voorkomen dat de aarde verandert in een broeikas zoals Venus. Gewoonlijk komen de enige deeltjes die de stratosfeer bereiken van zeldzame, dramatische gebeurtenissen zoals zware vulkanen en grote meteorieten.

De ontdekkingen van de onderzoekers zijn nog geen zwakke plekken in de bescherming van de aarde, maar ze kunnen wel microfracturen zijn. Wetenschappers zijn nog niet zeker van de effecten die deze veranderingen kunnen hebben.

Cziczo merkte op: “Dit zou om verschillende redenen een groot probleem kunnen zijn. We hebben zo lang aangenomen dat de stratosfeer een ongerepte zone is. Maar dit laat zien dat menselijke invloeden door een veranderend klimaat de chemie en de stralingscapaciteit van de stratosfeer kunnen beïnvloeden. Deze deeltjes kunnen met zonlicht interageren en de stratosfeer opwarmen, wat de stabiliteit kan beïnvloeden – wat van vitaal belang is voor de planeet.”

Het effect van de zomerstormen is niet te onderschatten. Soms zijn de bosbranden zo groot dat ze hun eigen weer creëeren, met stormwolken die pyrocumulus worden genoemd en die hun eigen brandende as en biomassa rechtstreeks in de stratosfeer boven het vuur katapulteren. Cziczo wijst op de waarnemingen van deze fenomenen tijdens de bosbranden in Australië in het brandseizoen van 2019.

De stratosfeer verkennen

De stratosfeer is een hoge en eenzame plaats, normaal gesproken alleen het domein van militaire vliegtuigen, weerballonnen en ruimteschepen. Om de stratosfeer te bestuderen, heeft NASA een variant van het Lockheed Martin U-2-vliegtuig ontwikkeld, de ER-2, die is uitgerust om aerosolen, deeltjes en veranderingen in druk, temperatuur, vochtigheid en wind te meten.

Met de mogelijkheid om hoogtes van 70.000 voet te bereiken, kan de ER-2 veranderingen in de luchtkwaliteit en chemie monitoren, waardoor het team van Cziczo de sporen van de zomerstormen en bosbranden door de stratosfeer kan volgen.

“We hebben geconstateerd dat we niet alleen troposferische lucht in de stratosfeer gooien,” zei Cziczo. “Het toevoegen van deze deeltjes verandert de dynamiek, de chemie en de manier waarop deze laag van de atmosfeer functioneert. Het verandert ook de manier waarop het warmte afhandelt – het verwarmt sneller. En dat is waar we ons zorgen over maken, dat moeten we echt onderzoeken om te begrijpen.”