짙은 갈색 탄소가 지배적인 산불 연기에 의한 단파 흡수

May 29, 2023

Nature Geoscience 16권, 683~688페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

산불은 다량의 검은 탄소와 갈색 탄소로 알려진 빛을 흡수하는 유기 탄소를 대기 중으로 방출합니다. 이러한 입자는 들어오는 단파 방사선을 흡수하여 지구의 방사선 예산을 교란시킵니다. 일반적으로 갈색 탄소는 햇빛에 의한 광화학 표백으로 인해 대기 중 방출 후 흡수성을 잃는 것으로 생각됩니다. 결과적으로, 갈색 탄소에 의해 발휘되는 대기 온난화 효과는 상대적으로 반응성이 없는 흑색 탄소에 비해 기후 모델에서 매우 가변적이며 제대로 표현되지 않습니다. 앞으로 수십 년 동안 산불이 전 세계적으로 증가할 것으로 예상된다는 점을 감안할 때 이러한 복사 영향을 정량화하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 여기에서는 미국 서부의 산불로 인한 연기 기둥의 앙상블 규모 및 입자 규모 단파 흡수 측정을 제시합니다. 우리는 어두운 갈색 탄소가 짧은 가시광선 흡수의 4분의 3과 긴 가시광선 흡수의 절반을 차지한다는 것을 발견했습니다. 이 강력하게 흡수되는 유기 에어로졸 종은 물에 불용성이며 주간 광표백에 저항하고 야간 대기 처리로 흡수율이 증가합니다. 우리의 연구 결과는 연기 에어로졸 복사 강제력 및 관련 온난화의 추정을 개선하기 위해 기후 모델에서 갈색 탄소의 매개변수화를 수정해야 함을 시사합니다.

산불 연기 에어로졸은 이산화탄소 및 기타 온실가스만큼 지구의 기후 변화에 중요한 강력한 대기 온난화와 대규모 표면 냉각을 유발합니다1,2. 연기 에어로졸의 질량 구성은 대부분(>95%) 유기물(OA)이며 소수(<3%)의 무기물과 흑연 흑탄소(BC)2,3가 포함되어 있으며 후자는 들어오는 단파의 지배적인 흡수체로 간주됩니다. 태양 복사4. OA의 광 흡수 특성은 매우 다양하며 기후 모델에서는 제대로 제한되지 않습니다5,6. 현재, 깃털에 존재하는 빛을 흡수하는 OA의 대기 온난화 기여는 모델 매개변수화2,7,8에서 상대적으로 반응하지 않는 BC와 비교하여 광표백으로 인해 무시되거나 무시할 수 있는 것으로 간주됩니다.

전통적인 견해에서는 OA의 발색단이 주로 가시광선의 짧은 파장을 흡수하지만 긴 가시광선 파장에서는 무시할 만큼 흡수하여 갈색 또는 노란색을 띠는 시각적 외관을 초래하므로 광학적 명칭은 '갈색 탄소'(BrC)9,10입니다. 실험실이나 현장 환경에서 BrC를 측정하는 데 사용되는 일반적인 기술에는 미립자 물질의 용해성 유기 분획의 용매 추출과 자외선(UV)-가시광선-적외선 분광 광도법11,12,13을 사용한 벌크 흡광도 측정이 포함됩니다. 측정된 수용성 BrC의 흡광도는 일반적으로 380~500nm의 파장 λ 범위에 걸쳐 10-4~10-2 사이의 값에 걸쳐 있는 가상 굴절률 k로 변환됩니다6,14,15. 따라서 연기의 용해성 BrC 성분은 BC에 비해 약하게 흡수되며, BC는 UV-가시광선-근적외선 스펙트럼에 걸쳐 높은 k ≒ 0.63을 갖습니다. 더욱이 BrC는 방출 후 몇 시간에서 며칠 내에 표백되거나 빛 흡수 능력이 손실되기 쉽습니다.

최근 실험실 연구14,20,21,22,23에 따르면 바이오매스 연소 연기에는 가시광선과 근적외선 파장을 강하게 흡수하는 어두운 BrC 성분(d-BrC)이 존재하는 것으로 나타났습니다. 이 종류의 BrC는 휘발성이 낮고 불용성이며 가시 스펙트럼6,15에서 k 값이 0.2-0.4로 높습니다. d-BrC 성분은 실험실 화상에서 연기 OA 질량의 5~15%를 구성하고 나머지 부분은 약하게 흡수되는 가용성 BrC14로 구성되는 것으로 나타났습니다. 산불 연기 기둥에서 d-BrC의 관측 증거와 대기 단파 흡수와 관련된 그 중요성은 아직 파악하기 어렵습니다.

우리는 미국 서부 산불의 연기 기둥에서 주요 광 흡수 구성 요소의 광학적 및 물리 화학적 특성을 특성화하기 위해 대량 및 입자 규모 관찰을 통합했습니다. 이 연구는 서부 산불의 기둥 구성을 조사하기 위해 2019년 NASA(미국 항공 우주국)/미국 해양 대기청이 후원하는 지역 및 지구 환경 및 대기 질에 대한 화재 영향 현장 캠페인24의 일부였습니다. 에어로졸 및 가스 특성화 장비 제품군은 지상 기반 Aerodyne Mobile Laboratory와 NASA의 Douglas DC-8 항공기에서 작동되었습니다. 2019년 산불 시즌 동안 화재 관리 지역 근처(3km 미만)에서 대류권(고도 10~11km)까지 기둥을 차단하고 연구하기 위해 가능한 한 동기화된 측정을 각 플랫폼에서 수행했습니다.

10 nm from the particle edges. The particles show a high degree of material homogeneity and uniformity in refractive index across their physical cross sections./p>1.5%) and low (<1.5%) BC mass fractions, respectively. By comparison, soluble BrC measurement in water extracts of particle-laden filters collected on ground yield order-of-magnitude lower k values (Extended Data Fig. 3). The real part n stayed wavelength invariant at 1.31 ± 0.03 (Extended Data Fig. 4). This value is consistent with previous measurement of n from wildfire smoke37./p>

85% by number (which corresponds to >88% by mass) of the total PM corresponds to organic aerosol particles. The d-BrC tar balls correspond to 0.58 ± 0.06 fraction of the total refractory organic particles. Consequently, our calculations estimate that d-BrC tar balls comprise between 5% and 26% (determined by the product of the three stated fractions) of the total PM mass concentration./p>

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