Temuan terkait dengan salju di atas es laut, menambah dimensi baru pada keprihatinan ilmiah tentang hilangnya es Kutub Utara.
Para peneliti yang didanai oleh National Science Foundation di Universitas Purdue telah menemukan bahwa salju yang diterangi matahari adalah sumber utama bromin atmosfer di Kutub Utara, kunci reaksi kimia unik yang membersihkan polutan dan menghancurkan ozon.
Penelitian baru juga menunjukkan bahwa lapisan salju permukaan di atas es laut Kutub Utara memainkan peran yang sebelumnya tidak dihargai dalam siklus bromin dan bahwa hilangnya es laut, yang terjadi pada kecepatan yang semakin cepat dalam beberapa tahun terakhir, dapat memiliki efek yang sangat mengganggu dalam keseimbangan kimia atmosfer di garis lintang tinggi.
Kerri Pratt, seorang Anggota Pascadoktoral NSF di Polar Regional Research, melakukan eksperimen ruang salju di -44F windchill dekat Barrow, Alaska. Kredit: Kredit foto Paul Shepson, Purdue University
Temuan tim ini menunjukkan iklim Arktik yang berubah dengan cepat - di mana suhu permukaan naik tiga kali lebih cepat dari rata-rata global - dapat secara dramatis mengubah kimia atmosfernya, kata Paul Shepson, seorang peneliti yang didanai NSF yang memimpin tim peneliti. Eksperimen dilakukan oleh Kerri Pratt, seorang peneliti postdoctoral yang didanai oleh Divisi Program Kutub di Direktorat Geosains NSF.
"Kami berlomba untuk memahami dengan tepat apa yang terjadi di Kutub Utara dan bagaimana hal itu memengaruhi planet ini karena itu adalah keseimbangan yang halus ketika datang ke atmosfer yang ramah terhadap kehidupan manusia," kata Shepson, yang juga merupakan anggota pendiri Purdue. Pusat Penelitian Perubahan Iklim. "Komposisi atmosfer menentukan suhu udara, pola cuaca dan bertanggung jawab atas reaksi kimia yang membersihkan udara dari polutan."
Sebuah makalah yang merinci hasil penelitian, beberapa di antaranya didanai oleh NSF dan beberapa oleh Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional, baru-baru ini diterbitkan secara online di Nature Geoscience.
Ozon di atmosfer bawah berperilaku berbeda dari ozon stratosfer yang terlibat dalam lapisan ozon pelindung planet ini. Ozon atmosfer rendah ini adalah gas rumah kaca yang beracun bagi manusia dan tanaman, tetapi juga merupakan agen pembersih penting dari atmosfer.
Mosaik gambar Arktik oleh MODIS. Titik paling terang dalam gambar adalah Greenland, tertutup salju putih. Di barat dan utara Greenland, es laut tampak pucat kelabu-biru.
Interaksi antara sinar matahari, ozon dan uap air menciptakan "zat pengoksidasi" yang menggosok atmosfer dari sebagian besar polutan yang dilepaskan oleh aktivitas manusia ke dalamnya, kata Shepson.
Temperatur di kutub terlalu dingin untuk keberadaan banyak uap air dan di Arktik proses pembersihan ini tampaknya bergantung pada reaksi pada permukaan beku yang melibatkan brom molekuler, gas halogen yang berasal dari garam laut.
Gas bromin ini bereaksi dengan dan menghancurkan ozon atmosfer. Aspek kimia bromin ini bekerja sangat efisien di Kutub Utara sehingga ozon seringkali sepenuhnya terkuras dari atmosfer di atas es laut pada musim semi, kata Shepson.
"Ini hanya bagian dari kimia ozon atmosfer yang tidak kita pahami dengan baik, dan kimia Arktik unik ini mengajarkan kita tentang peran potensial bromin di bagian lain planet ini," katanya. "Kimia Brom memediasi jumlah ozon, tetapi itu tergantung pada salju dan es laut, yang berarti perubahan iklim mungkin memiliki umpan balik penting dengan kimia ozon."
Sementara diketahui bahwa ada lebih banyak bromin atmosfer di daerah kutub, sumber spesifik bromin gas alam tetap dipertanyakan selama beberapa dekade, kata Pratt, rekan postdoctoral yang didanai Program Polar dan penulis utama makalah ini.
"Kami berpikir bahwa cara tercepat dan terbaik untuk memahami apa yang terjadi di Kutub Utara adalah pergi ke sana dan melakukan eksperimen tepat di mana kimia itu terjadi," kata Pratt.
Tiga beruang kutub mendekati haluan kanan kapal selam serangan cepat kelas Los Angeles USS Honolulu (SSN 718) sementara muncul 280 mil dari Kutub Utara. Terlihat oleh penglihatan dari jembatan (layar) kapal selam, beruang menyelidiki perahu selama hampir 2 jam sebelum pergi. Kredit: Wikimedia
Dia dan mahasiswa pascasarjana Purdue Kyle Custard melakukan eksperimen di -45 hingga -34 Celcius (-50 hingga -30 Fahrenheit) kedinginan di dekat Barrow, Alaska. Tim memeriksa es laut tahun pertama, es dan salju dan menemukan bahwa sumber gas bromin adalah salju permukaan atas di atas es laut dan tundra.
"Es laut telah dianggap sebagai sumber gas bromin," katanya. “Kami memiliki‘ tentu saja! ’Ketika kami menyadari itu adalah salju di atas es laut. Salju adalah yang bersentuhan langsung dengan atmosfer. Es laut sangat penting untuk prosesnya. Tanpanya, salju akan jatuh ke lautan, dan chemistry ini tidak akan terjadi.Ini adalah salah satu alasan mengapa hilangnya es laut di Kutub Utara akan berdampak langsung pada kimia atmosfer. ”
Tim juga menemukan bahwa sinar matahari memicu pelepasan gas bromin dari salju dan kehadiran ozon meningkatkan produksi gas bromin.
"Garam dari lautan dan asam dari lapisan kabut asap yang disebut kabut Arktik bertemu di permukaan salju yang beku, dan ini terjadi kimia yang unik," kata Pratt. "Ini adalah antarmuka salju dan atmosfer yang merupakan kuncinya."
Serangkaian reaksi kimia yang dengan cepat melipatgandakan jumlah gas brom yang ada, yang disebut "ledakan bromin," diketahui terjadi di atmosfer. Tim menyarankan ini juga terjadi di ruang antara kristal salju dan angin kemudian melepaskan gas brom ke udara di atas salju.
Tim melakukan 10 percobaan dengan sampel salju dan es yang terkandung dalam "ruang salju," sebuah kotak yang terbuat dari aluminium dengan lapisan khusus untuk mencegah reaksi permukaan dan bagian atas akrilik yang jernih. Udara bersih dengan dan tanpa ozon diizinkan mengalir melalui ruangan dan eksperimen dilakukan dalam kegelapan dan di bawah sinar matahari alami.
Tim juga mengukur kadar bromin monoksida, senyawa yang terbentuk dari reaksi atom brom dengan ozon, melalui penerbangan dari Purdue Airborne Laboratory for Atmospheric Research.
Shepson adalah pilot pesawat yang dilengkapi peralatan khusus ini, yang ia dan spesialis teknis operasi udara Brian Stirm terbang dari Indiana ke Barrow untuk eksperimen ini. Mereka menemukan bahwa senyawa itu paling banyak ditemukan di es dan tundra laut tahun pertama yang tertutup salju, konsisten dengan eksperimen ruang salju mereka.
Eksperimen dilakukan dari Maret hingga April 2012 dan merupakan bagian dari Eksperimen Brom, Ozon, dan Merkuri NASA, atau BROMEX. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memahami implikasi pengurangan es laut Arktik pada kimia troposfer.
Kelompok Shepson selanjutnya berencana untuk melakukan studi laboratorium untuk menguji mekanisme reaksi yang diusulkan dan untuk kembali ke Barrow untuk melakukan lebih banyak eksperimen ruang salju.
Selain itu, Shepson memimpin tim yang menggunakan pelampung bertambat es untuk mengukur karbon dioksida, ozon, dan bromin monoksida melintasi Samudra Arktik, dan Pratt bekerja dengan para ilmuwan dari Universitas Washington untuk memeriksa kimia salju dari seluruh Arktik. Lautan.
"Di Kutub Utara, perubahan iklim terjadi pada kecepatan yang dipercepat," kata Pratt. "Pertanyaan besar adalah apa yang akan terjadi pada komposisi atmosfer di Kutub Utara saat suhu naik dan salju dan es semakin menurun?"
Melalui NSF