Marine aerosols, their precursors and their influence on clouds over the global ocean

Abstract

Marine aerosols have a large potential to influence the Earth¿s climate through their effects on cloud properties. The CLAW hypothesis goes further, and suggests that marine aerosols formed by the sulphur cycle of the ocean and the atmosphere act as a mechanism for regulating the Earth's climate. This effect is produced through the influence of plankton emissions of sulphur compounds on cloud formation. Phytoplankton produces dimethylsulphide (DMS), a highly volatile sulphur compound. Once in the atmosphere, DMS is oxidized and becomes the main source of natural atmospheric sulphates. These sulphates act as condensation nuclei, particles that are essential for the formation of clouds. Those marine particles in the atmosphere play an important role in the Earth's radiation budget. Indirectly they produce a greater amount of cloud droplets. Higher cloud condensation nuclei imply smaller cloud droplets. The efficiency of smaller droplets in reflecting incident solar radiation is greater, resulting in an increase in cloud albedo, producing a cooling effect on the Earth's surface.

To properly study the marine aerosols we need accurate knowledge of the global seawater distribution of the aerosol precursors. Our work focused on the ocean-to-atmosphere emissions of DMS and other biogenic gases that can have an impact on cloud microphysics. During the thesis we updated the monthly global DMS climatology taking advantage of the three-fold increased size and better resolved distribution of the observations available in the DMS database. The emerging patterns found with the previous versions of the database and climatology were explored with the updated version. The statistical relationships between the seasonalities of DMS concentrations and solar radiation doses and chlorophyll a concentrations were here re-examined. Analyses of nine years of satellite data suggested that there is a natural inverse correlation between the spatial cover of low marine clouds and the cloud droplet size, which is related to the presence of small aerosols. This coupled seasonality pushes cloud albedo to contribute higher negative radiative forcing in summer and lower in winter. This relation is disrupted in the marine atmosphere regions heavily impacted by anthropogenic aerosols. Consequently, the potential influence the aerosol precursors have on marine clouds was next analysed over unpolluted and polluted ocean, separately. The 9 years of global satellite data and ocean climatologies were used to derive parameterizations of the production fluxes of secondary aerosols formed by oxidation of DMS and other biogenic organic volatiles. Further, the emission fluxes of biogenic primary organic and sea salt aerosols ejected by wind action on sea surface were also globally studied. Series of weekly estimates of these fluxes were correlated to series of cloud droplet effective radius. The outcome of the statistical analyses indicated that sulphur and organic secondary aerosols might be important in seeding cloud nucleation and droplet activation over mid and high latitude unpolluted oceanic regions. Conversely, primary aerosols (organic and sea salt) showed that, despite contributing to large shares of the marine aerosol mass, they do not seem to be major drivers of the variability of cloud microphysics. Our results provide partial support for the feasibility of the CLAW hypothesis at the seasonal scale. Despite that DMS has drawn much of the attention on the links between marine biota and climate regulation, the implication of other biogenic precursors on cloud formation provides and suggests a wider scope on the formulation of such hypothesis.

Los aerosoles marinos tienen un gran potencial para influir en el clima de la Tierra a través de sus efectos en las propiedades de las nubes. La hipótesis de CLAW va más allá y sugiere que los aerosoles marinos formados por el ciclo del azufre en océanos y atmósfera actúan como un mecanismo para la regulación del clima de la Tierra. Este efecto se produce a través de la influencia de las emisiones de plancton de compuestos de azufre en la formación de nubes. El fitoplancton produce sulfuro de dimetilo (DMS), un compuesto de azufre altamente volátil. Una vez en la atmósfera, el DMS se oxida y se convierte en la principal fuente de sulfatos naturales atmosféricos. Estos sulfatos actúan como núcleos de condensación, partículas esenciales para la formación de nubes. Estas partículas presentes en la atmósfera marina juegan un papel importante en el ciclo radiativo de la Tierra. Indirectamente, producen una mayor cantidad de gotas de las nubes. Mayor número de núcleos de condensación en las nubes implica gotas de nubes más pequeñas. La eficacia de las pequeñas gotas en reflejar la radiación solar incidente es mayor, lo que resulta en un aumento del albedo de las nubes, produciendo un efecto de enfriamiento en la superficie de la Tierra. Para estudiar adecuadamente los aerosoles marinos necesitamos tener un correcto conocimiento de la distribución oceánica global de los precursores de aerosoles. Nuestro trabajo se ha centrado en las emisiones del océano a la atmósfera de DMS y otros gases biogénicos que puede tener un impacto en la microfísica de nubes. Durante la tesis se ha actualizado la climatología mensual global de DMS, aprovechando el aumento en tres veces del número de observaciones y una mejor distribución global de las mismas, en la base de datos de DMS. Los patrones emergentes encontrados con las versiones anteriores de la base de datos y de la climatología se han re-evaluado con la versión actualizada. Las relaciones estadísticas encontradas entre la evolución temporal de las concentraciones de DMS y las dosis de radiación solar y concentraciones de clorofila han sido re-examinadas. Los análisis de nueve años de datos de satélite sugieren que existe una correlación inversa entre la cubierta espacial de nubes marinas bajas y el tamaño de las gotas de nubes, relacionado con la presencia de aerosoles pequeños. Esta estacionalidad acoplada conduce al albedo de las nubes a contribuir a un forzamiento radiativo negativo superior en verano, y más bajo en invierno. Esta relación se interrumpe en las regiones de la atmósfera marina con un alto impacto de los aerosoles antropogénicos. En consecuencia, la posible influencia de los precursores de aerosoles marinos en las nubes se ha analizado en una atmósfera marina limpia y contaminada, por separado. Los 9 años de datos satelitales globales y climatologías oceánicas se han utilizado para derivar las parametrizaciones de los flujos de producción de aerosoles secundarios, formados por la oxidación de DMS, y otros compuestos volátiles orgánicos biogénicos. Además, los flujos de emisiones biogénicas de aerosoles primarios orgánicos y aerosoles de sal marina expulsados por acción del viento sobre la superficie del mar se ha estudiado también a nivel global. Las series semanales de las estimaciones de estos flujos se han correlacionado con las series temporales de los radios de las gotas de nubes. El resultado de los análisis estadísticos ha indicado que el azufre orgánico y otros aerosoles secundarios pueden ser importantes en la nucleación y la activación de sus gotas sobre las regiones oceánicas no contaminadas en latitudes medias y altas. Por el contrario, aerosoles primarios (orgánico y la sal del mar) han mostrado que, a pesar de que contribuyen a una gran proporción de la masa de aerosol marino, no parecen ser los principales motores de la variabilidad de la microfísica de nubes. Nuestros resultados proporcionan un apoyo parcial a la viabilidad de la hipótesis de CLAW a escala estacional. A pesar de que el DMS ha llamado mucho la atención sobre los vínculos entre la biota marina y la regulación del clima, la implicación de otros precursores biogénicos en la formación de nubes ofrece y sugiere un mayor alcance en la formulación de esta hipótesis.