Novel insights into aerosol-cloud interactions by analysing the temporal evolution of strong anthropogenic cloud perturbations

Abstract

Maa kliima sõltub kliimasüsteemis neelduva päikesekiirguse ja atmosfäärist lahkuva soojuskiirguse vahelisest tasakaalust. Pilved mängivad selles võrrandis olulist rolli - nad hajutavad päikesekiirgust tagasi kosmosesse, enne kui see üldse maapinnani jõuab, neelavad päikesekiirgust ja neelavad ning emiteerivad soojuskiirgust. Pilvi endid mõjutavad aga õhus hõljuvad pisikesed vedelas ja tahkes faasis õhusaasteosakesed, mida nimetatakse aerosooliosakesteks. Aerosooliosakesed käituvad pilvepiiskade tekkeks vajalike kondensatsioonituumadena, määrates ühtlasi ära pilvede omadused, nagu näiteks pilvepiiskade suuruse, pilvede paksuse, nende hulga ning eluea. Käesolev töö uurib, kuidas mõjutavad pilvede omadusi tööstuslikud õhusaasteosakesed. Satelliidipiltidelt uuriti silmaga nähtavaid pilvehäiringuid, mis tekivad tugevatest tööstusallikatest allatuult. Tööstuslikud õhusaaste allikad paiskavad atmosfääri lisakoguse kondensatsioonituumasid, mistõttu moodustuvad pilved rohkematest, kuid pisematest veepiiskadest. Pisemad pilvepiisad muudavad saastunud pilveosa ümbritsevast saastumata pilvest heledamaks ning satelliitpiltidel paistavad saastunud pilved välja heledate triipudena. Kõrge ajalise lahutusvõimega geostatsionaarseid satelliidiandmeid kasutades saadi uusi tulemusi saastunud pilvede omaduste ajaliste muutuste kohta. Mitmetes saastejälgedes tuvastastati pilve veehulga kasv pärastlõunasel ajal, mis viitab sademete tekke pärssimisele. Teisalt nähti, et satelliitmõõtmiste abil on saastunud pilved saastumata pilvedest eristatavad mitme järjestikuse päeva jooksul ehk saastejäljed võivad järjest püsida mitu päeva. Suhteliselt pikk eluiga viitab, et saastunud pilved jõuavad kohastuda suurenenud aerosooliosakeste hulgaga ja taolisi saastejälgi saab kasutada uurimaks aerosooliosakeste põhjuslikku mõju pilvede omadustele. Kõige uudsem osa väitekirjast on avastus, et inimtekkelise aerosoolse õhusaaste mõju ei piirdu ainult veepilvedega. Teatud tüüpi tööstuslik õhusaaste võib käituda ka jäätekketuumadena. Sellised aerosooliosakesed tekitavad alla 0 ℃ jahtunud vedelas faasis pilvepiiskadest jääkristallid, mis hakkavad Wegener-Bergeron-Findeiseni protsessi tõttu kasvama. Aerosoolide poolt algatatud veepilvede jäätumisprotsess käivitab järgnevad protsessid, kus tekkinud jääkristallid sajavad alla lumena ja seetõttu saastunud alades pilvede hulk väheneb. On oluline märkida, et tööstuslike õhusaasteallikate poolt emiteeritav soojus ja veeaur võivad samuti mängida olulist rolli avastatud veepilvede jäätumisel. Kokkuvõttes aitab doktoritöö paremini mõista inimtekkelise aerosoolse õhusaaste mõju pilvedele. Töös keskenduti inimtekkeliste aerosoolide tekitatud pilvehäirituste ajalisele arengule, parandades arusaama mitmetest füüsikalistest protsessidest pilvedes. Parem teadmine aerosoolide ja pilvede vastastikmõjust aitab loodetavasti suurendada tulevikukliima projektsioonide täpsust ja usaldusväärsust.

The Earth’s climate depends on a delicate balance between absorbed solar radiation and the thermal radiation leaving our atmosphere. Clouds play a crucial role in this equation, scattering solar radiation back to space before it even reaches the ground, absorbing solar radiation, and absorbing and emitting thermal radiation. Clouds themselves are affected by tiny air pollution particles in the air called aerosols. Aerosols change cloud properties like the size of cloud droplets, cloud thickness, cloud amount, and cloud lifetime. This research examines how industrial pollution modifies cloud properties and leads to so-called aerosol-polluted cloud tracks - line-shaped cloud disturbances visually identifiable in satellite images in cloud decks downwind of strong industrial air pollution sources. Aerosol particles act as condensation sites for water vapour. When anthropogenic pollution adds more aerosols into the atmosphere, the clouds form with more numerous but smaller water droplets. Smaller cloud droplets mean the polluted clouds are brighter than the surrounding unpolluted clouds. The polluted cloud tracks can be observed in satellite images, and this research focuses on the temporal evolution of aerosol-induced changes in cloud properties, using high temporal resolution geostationary satellite data. In some cases, we found an increase in cloud water in the afternoon, suggesting suppression of precipitation formation in the aerosol-polluted clouds. In addition, we saw that cloud tracks polluted by industrial aerosols can persist for multiple consecutive days, allowing for the clouds to adjust to aerosol perturbations. This indicates that such aerosol-polluted cloud tracks can be used to study the causal impacts of aerosols on clouds. The most novel part of this thesis was the discovery of direct observational evidence that the impact of man-made aerosol pollution is not limited only to changing the properties of liquid-water clouds, but industrial aerosols can also act as ice-seeding particles. These particles transform supercooled liquid water cloud droplets into ice crystals, which are prone to growing larger through the Wegener-Bergeron-Findeisen process. Such a glaciation process initiates a sequence of processes where the ice crystal formation leads to snowfall, which results in reduced cloud cover downwind of large industrial sites. It is important to note that the emission of heat and water vapour may also play a role in the observed glaciation events. In conclusion, the dissertation advances the understanding of how anthropogenic aerosols alter cloud properties. This was achieved by analysing the temporal evolution of cloud perturbations caused by industrial aerosols, as multiple insights into the relevant physical processes at play were established. The improved understanding of aerosol impacts on clouds could ultimately lead to more reliable climate projections.