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Reconstruction of pre-industrial to industrial changes of organic aerosols from glacier ice cores

English title Reconstruction of pre-industrial to industrial changes of organic aerosols from glacier ice cores
Applicant Schwikowski Margit
Number 182765
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.03.2019 - 28.02.2023
Approved amount 1'018'841.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (8)

Siberia; Industrial; Ice cores; Organic aerosols; Molecular tracers; Pre-industrial; Effect on climate; Europe

Lay Summary (German)

Lead
Der Einfluss von Aerosolpartikeln auf das Klima ist immer noch ungenügend bestimmt, was auch zu einer Ungenauigkeit der Klimawirkung von Treibhausgasen führt. Dabei ist ein wichtiger Faktor, dass die natürlichen Aerosol-Emissionen und -Konzentrationen vor 1750 sowohl in der Zusammensetzung als auch in der Grössenordnung schlecht bekannt sind. Dies betrifft vor allem den organischen Anteil, der heute ca. 20-70% vom gesamtem Aerosol ausmacht. Das Ziel dieses Projektes ist es, Veränderungen der organischen Aerosole von 1600 bis heute aus der chemischen Analyse von Eisbohrkernen zu rekonstruieren.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

In diesem Projekt möchten wir die Zusammensetzung und die Quellen von organischen Aerosolen in der vor-industriellen, natürlichen Atmosphäre bestimmen und den Einfluss von durch den Menschen verursachten Emissionen auf diese Zusammensetzung untersuchen. Dazu werden wir chemische Analysen von zwei verschiedenen Eiskernen durchführen. Einer stammt aus einer hoch-industrialisierten Region (Europa) und der andere aus einem Gebiet mit beachtlichen Emissionen aus der Biosphäre (Sibirien). Untersucht werden Summenparameter, wie der totale organische Kohlenstoff (löslich und unlöslich) und der totale elementare Kohlenstoff (Russ), wobei mit der Analyse von Radiokohlenstoff der biogene bzw. fossile Anteil an diesen Fraktionen bestimmt wird. Zusätzlich werden wir molekulare Markersubstanzen analysieren, die für bestimmte Quellen charakteristisch sind (Vegetationsbrände, biogene Emissionen von Isopren und Terpenen, etc.). Weiterhin werden wir die Stabilität der Markersubstanzen und deren potentielle Kontamination durch die Probenahme untersuchen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die aus diesem Projekt resultierenden Datensätze werden das Verständnis über die Zusammensetzung der organischen Aerosole und deren Quellen in der vorindustriellen und industriellen Zeitperiode verbessern und damit eine realistischere Abbildung der Klimawirkung von Aerosolen in Klimamodellen erlauben.

Direct link to Lay Summary Last update: 26.02.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
194500 From glacier to classroom: peer-to-peer communication to foster curiosity in science 01.08.2020 Agora
154450 Paleo fires from high-alpine ice cores 01.01.2015 Sinergia

Abstract

The impact of aerosols on climate via cloud formation and interaction with radiation remains poorly constrained, leading to considerable uncertainties in predicting the climate sensitivity to greenhouse gases. While a fraction of these uncertainties is related to the quantification of current anthropogenic emissions, the largest part arises from our deficient knowledge of the composition and magnitude of natural emissions before 1750. This points to the importance of understanding pristine pre-industrial environments and the effect of anthropogenic emissions thereon, and suggests that improved aerosol measurements in polluted present-day conditions will not necessarily result in commensurate reductions in climate modelling uncertainties. Between 20-70% of today’s fine particulate matter is formed by organic aerosols, which are either directly emitted, primary particles or secondary particles produced in the atmosphere through the oxidation of gaseous precursors. While the mechanisms by which the inorganic aerosol fraction is formed from gas phase precursors are well established, current state-of-the-art models consistently underestimate the organic aerosol burden, highlighting major gaps in our understanding of the pathways by which organic aerosols accumulate and evolve in the atmosphere, and finally effect climate.For modelling the aerosol forcing, emission estimates are used, which are often highly uncertain especially for pre-industrial times. A different approach is to determine the pre-industrial aerosol concentration and composition from analysis of aerosol related chemical compounds in ice cores. Ice cores from high-alpine cold glaciers are especially suitable for this purpose due to their proximity to aerosol sources. However, most studies on climate-relevant aerosol records have focused on inorganic aerosol constituents, whereas there is a lack of long-term quantitative bulk measurements of organic aerosols covering the pre-industrial to industrial period.In this research project, we will elucidate, for the first time to the best of our knowledge, the composition and sources of the bulk organic matter in the pristine, pre-industrial atmospheres, and quantify the influence of the human activity thereon, by analysing well-dated ice cores representative of 1) a heavy industrialized area with low biogenic emissions (Europe) and 2) of an area influenced by both high industrial and high biogenic emissions (Siberia), utilizing innovative techniques. To achieve this we will obtain: 1) pre-industrial to industrial (1600-2015 AD) mass concentration records of the bulk organic aerosol fractions WIOC, EC and DOC together with their corresponding fraction of modern carbon from 14C analysis2) pre-industrial to industrial records of molecular markers for determining chemical composition and sources of organic aerosolsFurther we will investigate the stability and potential contamination of molecular markers in firn and ice through analysis of snow pit/ice core and simultaneous long-term atmospheric organic aerosol samples from the same site.This will result in a unique data base, extremely valuable for improving the representation of the pre- and post-industrial organic aerosols, their anthropogenic and biogenic sources as well as their contribution to cloud formation in coupled chemistry-climate models, required for a better understanding of aerosol-climate interactions.
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