Elemental carbon in Svalbard snow from local sources and its impact on surface albedo

Svalbard, ei øygruppe i Arktis, vert påverka både av langtransportert og lokal forureining. I denne oppgåva har konsentrasjonar av elementært karbon (EC) i snøen og effekten det har på albedo blitt undersøkt. Eit overslag av den lokale EC-forureininga på snøen har for første gong blitt gjort. Dette vart utført ved å ta snøprøver frå langs utgåande profilar frå Longyearbyen, Ny-Ålesund og Svea i 2008. Nokre av desse prøvene vart tatt i upåverka område. Desse prøvene vart smelta og filtrert på UNIS. Sjølve EC-analysen blei gjort ved ITM i Stockholm. Sidan denne metoden både er dyr og tidkrevjande, vart ein alternativ metode undersøkt. Snøstratigrafien vart undersøkt ved kvart målepunkt. Dette kunne då bli samanlikna med vêrdata for å datere snølaga. Modellkøyringar av den kjemiske transportmodellen Oslo CTM2 vart sett opp mot EC-prøvene tatt i snøen. Dei lokale EC-kjeldene på Svalbard vart talfesta og samanlikna med det fjerntransporterte EC. Til slutt vart ein mogeleg relasjon mellom EC-konsentrasjon og isotopparameteren delta18-O undersøkt. Ein studie av Forsström et al. (manuskript innlevert) har funne EC-konsentrasjonen på Svalbard til å vere 4.1 mikrog/l. Her vart EC-konsentrasjonen rundt Ny-Ålesund målt til å vere på linje med bakgrunnsnivået (6.58 mikrog/l). Oslo CTM2-modellen gjev data som stemmer bra overeins med dette og gav ein EC-konsentrasjon for vinteren 2007/08 på 5.35 mikrog/l. Svært høge EC-konsentrasjonar vart observert rundt Longyearbyen og Svea. I desse områda var misfarga snø lett synleg på satellittbilete. Område utsett for kolstøv frå kolhaugar var spesielt påverka. EC-konsentrasjonen rundt Svalbard Lufthamn og sentrum av Longyearbyen var over 1000 mikrog/l. Longyearbyen og Svea skil seg frå Ny-Ålesund grunna kolstøvet og storleiken på tettstadene. Prosessar i snøen vil generelt auke ECkonsentrasjonen etter at snøen har lagt seg. Sublimering og smelting av snø kan doble den opphavlege EC-konsentrasjonen. Albedoreduksjonen i nysnø grunna bakgrunnsnivået av EC vart modellert til å vere 0.0011 på Svalbard. Dette er basert på den direkte albedoeffekten av EC i snø, der sekundære effektar ikkje er inkludert. Den lokale forureininga frå Longyearbyen tilsvarar 2.2% av langtransportforureininga, mens Svea bidrar med 5.4%. Dette er konservative overslag, og større overslag vert indikert. I sum er den lokale effekten 11.2% av den totale, men kan vere så stor som 20%. EC i snø har sekundære klimaeffektar. Den viktigaste er at snømetamorfose og snøkornvekst går fortare med EC. Dessutan vert EC-partiklane liggande att i snøen ved smelting, og med det vert EC oppkonsentrert, spesielt i overflatelaget. På Longyearbreen auka EC konsentrasjonen i snøoverflatelaget med ein faktor 18 frå april til august. Det reduserer albedoen med 0.08. Forureininga frå Svalbard er ubetydeleg sett for heile Arktis under eitt, der mesteparten av Arktis er urørt natur. EC har vore i fokus sidan det reduserer snøalbedo mykje meir effektivt enn støv. Likevel er støvkonsentrasjonane mykje høgare enn EC-konsentrasjonane. Dette skuldast kraftige vindar, tørt klima og lause sedimentære bergartar som gir naturleg lokalt svært store støvkjelder på Svalbard. Albedoeffekten av støv i snø vart grovt rekna til å vere ein faktor 8 større enn det EC i snø gjev.

Svalbard, a remote archipelago in the Arctic, is affected by both long-range and local pollution. In this thesis, the elemental carbon (EC) concentrations in the snow pack and its effect upon surface albedo have been investigated. The impact of local EC sources for the snow pack have for the first time been estimated. That was done by gathering snow samples from the snow pack along transects around Longyearbyen, Ny-Ålesund, and Svea in 2008. Some of these samples were taken in pristine areas. These samples were melted and filtered at UNIS. The final EC analysis was done at ITM in Stockholm. Since this analysis is both expensive and time demanding, an alternative method was investigated. Simple snow stratigraphy investigations were done in every snow pit. This was compared to weather data in order to date the snow layers. Model runs from the Oslo CTM2 chemical transport model were compared with the EC measurements. The local EC emissions in Svalbard were estimated and compared to the long-range transported EC. Finally, a possible relation between EC concentration and the isotope parameter delta18-O was investigated. A study by Forsström et al. (Submitted) has found the average EC concentration on Svalbard to be 4.1 microg/l. Here, the EC concentration around Ny-Ålesund was found to be in line with the background concentration (6.58 microg/l). The Oslo CTM2 model fits well with these result, and an EC concentration of 5.35 microg/l was modeled for the winter 2007/08. Highly elevated EC concentrations were observed around Longyearbyen and Svea. In those areas, darkened snow was clearly visible from satellite images. Areas influenced by coal dust from open coal piles were the most affected. The EC concentration around Svalbard Airport and the centre of Longyearbyen was above 1000 microg/l. Longyearbyen and Svea differ from Ny-Ålesund due to available coal dust and the size of the settlements. Postdepositional processes in the snow pack will, in general, increase the EC concentration. Sublimation and melting of snow can double the initial EC concentration. The albedo reduction in new snow from the background EC was modeled to be 0.011 on Svalbard. This is based on the direct albedo effect of EC in snow, where secondary effects are not included. The local pollution from Longyearbyen was estimated to have an albedo effect of 2.2% and from Svea of 5.4% relative to the long-range pollution. These estimates are at the low end of the scale, and some higher estimates are given. In total, the local effect is conservatively set to 11.2% of the total, but may be as large as 20% of the total effect. EC in snow has secondary climate effects. Most importantly, snow metamorphism and snow grain growth are accelerated by the presence of EC. Further, the EC particles are staying in the snow during melting, and the EC concentration is especially elevated in the snow surface. On Longyearbreen, an increase by a factor of 18 was measured in the surface snow from April to August. That reduces the albedo by about 0.08. The pollution from Svalbard is insignificant compared to the vastness of the entire Arctic and its wilderness with few or no local EC sources. EC has been the focus since its impact on snow albedo for a specific contamination burden is much higher than for dust. However, dust concentrations are generally much higher than EC concentrations. Due to windy conditions, dry climate, and soft sedimentary rocks, the local non-anthropogenic source of dust is very high in Svalbard. The albedo effect of dust in snow is found to be crudely a factor 8 of the effect of EC in snow.