Arktiska moln påverkas av bakterier

Varje sommar smälter isen i Arktis. Så fryser den till igen varje vinter. Och varje år kommer alarmerande nyheter om att istäcket i Norra ishavet håller på att försvinna. Årets sommar utgör inget undantag. Avsmältningen har gått överraskande fort. I själva verket förändras klimatet i Arktis snabbare än någon annanstans på jorden. Andelen havsis som finns kvar mer än en sommar minskar också stadigt, vilket gör isen bräckligare och mindre hållbar. Arktiska forskare har fått justera sina beräkningar av tidpunkten då havet kommer att vara isfritt till 40 år tidigare än väntat, enligt modeller från FN:s klimatpanel, IPCC. Kanske kommer nordostpassagen att vara farbar redan om tio år, något som orsakat stort politiskt pådrag. Det gäller att väga den orörda havsmiljön mot omfattande kommersiella intressen. Isen är som minst kring mitten av september varje år, när sommaren lider mot sitt slut. Under de senaste trettio åren har isytan i september minskat med i genomsnitt 10 procent för varje tioårsperiod. Minskningen är än mer dramatisk sedan 2007. I slutet av förra sommaren rapporterades ungefär fyra miljoner kvadratkilometer av havet vara isbelagt – det är två miljoner kvadratkilometer mindre än genomsnittet de tre senaste decennierna. Isen var också den yngsta någonsin – tunnare och mindre kompakt än normalt. – Att Arktis värms upp snabbare än hela jorden i medeltal förutsågs redan av de allra första klimatmodellerna i mitten av 1970-talet. Men än i dag, 40 år senare, kan vi egentligen inte säga varför polarisen minskar så fort, säger Michael Tjernström, professor i meteorologi vid Stockholms universitet. I grunden beror det på den globala uppvärmningen. Men en rad processer medverkar till att förstärka uppvärmningen i Arktis. Det handlar till exempel om att den storskaliga transporten av varm luft och vattenånga från sydligare breddgrader till Arktis förändras. Fler stormar och ökande nederbörd, samt större värmetransport i haven bidrar till att uppvärmningen och avsmältningen tilltar. Effekterna förstärker också varandra, och då ökar faran för en allt snabbare utveckling. När den vita isen och snön försvinner, exponeras även det öppna havet för solens strålar. Dessutom bildas sjöar av smältvatten ovanpå isen. Eftersom vattnet är mörkt absorberar det mer solvärme och då värms havsytan mer, vilket i sin tur påskyndar avsmältningen ännu mer. – Vi vet också att molnen är mycket viktiga. Vi har till exempel kunnat se att de somrar, då isens utbredning i september är extra liten, har föregåtts av en extra molnig vår, säger Michael Tjernström. Caroline Leck och hennes forskargrupp på Meteorologiska institutionen vid Stockholms universitet har kommit på en oväntad och till synes orelaterad länk bakom förändringarna: mikroorganismernas inverkan på hur moln bildas i Arktis. Nedbrytningsämnen från havsalger, bakterier och virus återfinns i molndropparna. – Encelliga varelser, både sådana som lever i de arktiska vattnen och sådana som lever i molnen ovanför isen, har hittills förbisetts av modellerna, säger Caroline Leck. Hon är professor i kemisk meteorologi och redan 1991 ledde hon den första forskarexpeditionen på den svenska isbrytaren Oden. Sedan dess har det blivit flera resor till polartrakter. Såväl 2001 som 2008 for Caroline Leck och Michael Tjernström i väg tillsammans som forskningsledare på Oden för att studera isen, havet och molnbildningen i Arktis. Arktis är en mycket molnig plats: på sommaren är den till över 90 procent täckt med moln. Till vintern minskar molntäcket till cirka 70 procent. Mer exakt går det inte att säga i dag, eftersom det är svårt att se moln i vinterhalvårets mörker och till och med satellitsensorer har svårt att skilja molnen från isytan. För det mesta är molnen låga och tunna. Liksom överallt annars kan de verka både avkylande och värmande på klimatet. Molnen kan värma när de, likt växthus, fångar och återsänder värmestrålning tillbaka ner mot ytan. Och de kan kyla genom att hindra solvärmen från att tränga ner till ytan, då solstrålarna studsar tillbaka till rymden från molnens ovansida. – Arktis är speciellt – ju molnigare det är desto varmare blir det, säger Michael Tjernström. Det beror dels på att ytan under en stor del av året är täckt av snö och is så den reflekterar ganska mycket ändå, även utan moln. På vintern finns ju dessutom ingen värmande sol alls. Dels beror det på att de arktiska molnen på sommaren är relativt fria från mänskliga luftföroreningar, vilket minskar molnens reflekterande förmåga. Ju mer havet öppnas när den arktiska isen drar sig tillbaka, desto fler partiklar singlar upp i luften från havsvågorna och blir till embryon för droppar som tillsammans bildar moln. Vad är det då för partiklar? Från början räknade forskarna främst med salt- och svavelpartiklar från havet. Men Caroline Leck och hennes grupp har nyligen rapporterat att över häften av partiklarna i den arktiska luften är nanometer- och mikrometerstora ”geler” som härstammar från vattnets mikroorganismer. När isen smälter under augusti hamnar många av isalgerna och isbakterierna i vattnet. De bryts ner i den kallare omgivningen, där salthalten gör att temperaturen kan vara nästan två grader lägre än i isen. Algerna och bakterierna blir stressade och som en försvarsreaktion bildar de polymerer av sockermolekyler. Dessa omvandlas till partiklar, så kallade geler, som lägger sig som en tunn hinna på vattenytan. – På sommaren är Arktis relativt fritt från föroreningar utifrån, från sydligare breddgrader, säger Caroline Leck. Sot och andra smutsiga utsläpp blåser in mestadels på vintern. Det innebär att de partiklar som bildar huvuddelen av molndropparna i de låga molnen på sommaren till stor del härstammar från biologiska källor längs iskanten och från råken, det öppna vattnet mellan isflaken. Caroline Leck och hennes kolleger samlade prover från ishavet och jämförde med vad de hittade i dimman och molndropparna ovanför. Fynden kunde entydigt kopplas till mikrogelerna. Mikrogeler skulle kunna påverka is­avsmältning. Under den arktiska sommaren bildas bubblor i vattnet som hjälper gelerna att virvla upp i luften. När vattenångan får fler partiklar att kondensera på blir det fler men mindre droppar i molnen. – På sommaren är Arktis, som sagt, redan mycket molnigt, säger Michael Tjernström. Så den mest sannolika effekten av mikrogelerna är att de ändrar molnens optiska egenskaper snarare än att fler moln uppstår. Vi vet också att ett moln med många små droppar reflekterar mer solstrålning än ett motsvarande moln som består av färre men stora droppar, vilket skulle ge en relativ avkylning. Fast om molnen från början är mycket tunna ökar också deras växthuseffekt då dropparna blir fler, och då blir det varmare. Men vi vet helt enkelt inte hur fördelningen mellan tunna och tjockare moln ser ut i Arktis. Det är en av anledningarna till att partiklarnas inverkan på värmebalansen över ett större område i Arktis fortfarande är osäker. Hur länge och hur mycket mikrogelerna kommer att fortsätta påverka är inte heller säkert. I polarisen är livet skört. – Livsformerna i Arktis är beroende av det grunda marina skiktet vid havsytan, säger Caroline Leck. Det blir som ett biologiskt lock där näringsämnen samlas, och temperaturen är precis rätt för många arter som blir hjälpta till liv av solljuset. Men på ett stort öppet hav utan isalger och näringsämnen från isen kan vinden röra om i vattnet. Ytskiktet blir djupare och mörkare, och då försvinner det levande locket. Att ytskiktet håller sig stabilt beror på att vattnet vid havsytan i Arktis är relativt sött, påpekar Michael Tjernström. Och eftersom färskvatten är lättare än saltvatten, lägger det sig överst och motverkar omblandning. Sötvattnet kommer från nederbörd och även från avrinningen från flera stora floder. – Isens avsmältning bidrar till detta, eftersom isen i huvudsak består av färskvatten. Men även utan den smältande isen förblir ytvattnet relativt sött, hävdar många oceanografer. Däremot vet vi inte om det räcker för att motverka den ökade omblandningen från vinden när isen försvinner, eller om vattnets sammansättning kommer att ändras då. Ytskiktets födoämnen kommer från ryska floder som rinner ut i ishavet. Dessa flodsediment bär med sig näringsämnen som deponeras ovanpå isen. De flyter sedan med isflaken runt i Arktis. När isen smälter, dumpas alltihop i havet, och utlöser en ”matyra” för vattenorganismerna, så att de blir ovanligt många, och så dör de, och fler partiklar hamnar i luften ovanför ishavet. Med många partiklar bildas moln med många små droppar, vilka reflekterar mer solstrålning tillbaka till rymden och alltså har en kylande effekt. – Fast snarare än avkylning ska man kanske tala om minskad uppvärmning, säger Michael Tjernström. För vi vet ju också att det blir kallare om det är helt molnfritt. Det som är spännande och oväntat är att mikroorganismer kan påverka molnbildningen. Caroline Leck befarar dock att när istäcket smälter bort och havsvattnet blandas om av vinden så kommer de flesta marina livsformerna att hamna på kontinentalsockeln i stället. Där är livet lättare än i öppna havet. – Vi kan ännu inte förutsäga när vändpunkten kommer för denna dans mellan liv och moln i Arktis, säger hon. Även om liv försvinner från det isbefriade havet på sommaren kommer molnen att fortsätta spela en viktig roll för det arktiska klimatet. Havsvågorna förser då luften med saltpartiklar som molndropparna kan kondensera på och bilda moln. Öppna havsvatten skulle också kunna ha en kylande effekt på klimatet om det samtidigt blåser mycket i framtiden. Nyligen gjorde miljöforskaren Hamish Struthers vid Stockholms universitet beräkningar som visar att ökningen av saltpartiklar i luften kyler den polära regionen på sommaren. Enligt Struthers och hans kollegers beräkningar kommer solstrålningens absorption och spridning i luften att öka med nästan en fjärdedel fram till år 2100 tack vare saltpartiklarna från öppet hav. – Effekten är dock ganska liten och kommer inte att uppväga den pågående uppvärmningen av Arktis som orsakas av globala klimatförändringar, säger Hamish Struthers. Det är också oklart hur denna ökning av havssaltpartiklar i luften kommer att påverka de arktiska molnen. Hittills har forskarna kämpat för att beskriva molnen i Arktis rätt i sina modeller. – Det är fortfarande väldigt svårt, säger Michael Tjernström. De globala modellerna av hur moln bildas bygger på mätdata som inte gör skillnad på mer avgränsade regioner med specifika egenskaper, som Arktis. Så vi missar inverkan av detaljer som är speciella för polartrakterna i norr. – I vissa modeller är resultaten för Arktis till och med helt motsatta dem vi observerar. De här modellerna får till exempel fram mer moln på vintern än på sommaren. Men vi har ju själva sett att det är precis tvärtom. För att förstå och kunna förutsäga vad som händer i Arktis krävs alltså modeller som tar hänsyn till de lokala förhållandena. – Det är här som det största problemet ligger, säger Michael Tjernström. Modellerna måste bygga också på observationer av förhållandena i Arktis. Men det finns helt enkelt väldigt lite sådana observationer. För en global beräkning av klimatet över hela jorden krävs naturligtvis att modellen beskriver både polarområdena och tropikerna. Så medan Michael Tjernström och hans arbetskamrater försöker få fram lokala resultat från Arktis, arbetar oceanografen Ralf Döscher på Rossbycenter vid SMHI i Norrköping med att skapa en mer övergripande modell. – Målet är att foga samman de senaste rönen till en modell för hela Arktis. Moln blir en grundläggande del i modellen. Än så länge är forskarna bara i början av detta projekt, där finskaliga uppgifter om molnens beteende ska passas in i stora modeller för hela regionen. Resultaten kommer att låta vänta på sig många år, och effekterna är fortfarande okända. Vad som än händer blir det en förbättring jämfört med dagens globala klimatmodeller. Till en del beror avvikelserna i dagens modeller på att det är mycket svårt att göra observationer av de stora vidderna kring nordpolen. – Vi behöver mer detaljerad kunskap för att kunna säga hur samspelet mellan biologiska partiklar, moln och issmältning ser ut, och vilket som är viktigast för klimatet, säger Caroline Leck och Michael Tjernström. Men vi vet säkert att vi nu är på väg in i en period då Arktis snabbt förändras.