Выбросы от лесов влияют на самый первый этап формирования облаков
Облака играют важнейшую роль в климате Земли. Также они являются крупнейшим источником неопределенности в нынешних климатических моделях, в соответствии с последним докладом Межправительственной группы по изменению климата. Большая часть неопределенности, окружающей влияние облаков на климат, проистекает из сложности формирования облаков – пишет sciencedaily.com.
Новое исследование от ученых в эксперименте CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований, CERN), в том числе Нила Донахью из Университета Карнеги-Меллона, проливает свет на формирование новых частиц – самый первый шаг формирования облаков и критический компонент климатических моделей. Выводы, опубликованные в выпуске Science от 16 мая, точно соответствуют наблюдениям в атмосфере и могут помочь сделать модели прогнозирования климата более точными.
Облачные капли образуются, когда водяные пары в атмосфере конденсируются на крошечных частицах. Эти частицы испускаются непосредственно из природных источников или вследствие процессов человеческой деятельности, или же образуются из предшественников, испускаемых первоначально как газообразные загрязняющие вещества. Превращение молекул газа в кластеры, а затем в частицы – процесс под названием нуклеация (ядрообразование) – производит более половины частиц, создающих сегодня облачные формирования во всем мире. Но лежащие в основе нуклеации механизмы остаются неясными. Хотя ученые наблюдали, что процесс нуклеации почти всегда включает в себя серную кислоту, концентрации серной кислоты не являются достаточно высокими, чтобы объяснить скорость образования новых частиц, происходящего в атмосфере. Это новое исследование раскрывает незаменимый ингредиент в давно разыскиваемом рецепте образования облаков – высокоокисленные органические соединения.
Климатологи уже установили, что рост облаков происходит благодаря аэрозолям, арктические облака создаются из выхлопа космических челноков, а перистые – из минеральных и металлических частиц.
«Наши измерительные эксперименты соединили окисленные органические соединения непосредственно, и изучили их подробно, с самых первых шагов новой формации и роста частиц», говорит Донахью, профессор химии, химической технологии, инженерии и государственной политики, и директор института УКМ экологического образования и исследований Штейнбреннера. «Год назад мы понятия не имели, что происходят эти химические процессы. Там задействована целая отрасль окислительной химии, которую мы действительно не понимали. Это захватывающее время».
Воздух, которым мы дышим, полон органических соединений, крошечных жидких или твердых частиц, которые происходят из сотен источников, включая деревья, вулканы, автомобили, грузовики и лесные пожары. Как только они попадают в атмосферу, эти так называемые органические вещества начинают меняться. В исследовании, опубликованном в Трудах Национальной академии наук в 2012 году, Донахью и его коллеги окончательно показали, что органические молекулы, выделяемые соснами, называемые альфа-пинен, химически преобразуются несколько раз в высоко окислительной среде атмосферы. Кроме того, другие исследования, в том числе из лаборатории Донахью, предположили, что такие окисленные органические частицы могут принимать участие в нуклеации – как в формировании новых частиц, так и в их последующем росте. Донахью и Международной группе исследователей с экспериментом CLOUD в ЦЕРНе была поставлена задача проверить эту гипотезу.
Проект CLOUD в ЦЕРНе является уникальным объектом, позволяющим ученым воспроизвести типичные атмосферные условия внутри практически не содержащей вредных веществ камеры из нержавеющей стали. Выполняя эксперименты в точно контролируемых условиях камеры CLOUD, ученые проекта могут изменять концентрации химических веществ, участвующих в нуклеации, а затем измерять скорость, с которой создаются новые частицы, с максимальной точностью.
В текущей работе команда заполнила камеру диоксидом серы и пиннанедиолом (продукт окисления альфа-пинена), а затем генерировала гидроксильные радикалы (доминирующий окислитель в атмосфере Земли). Затем ученые наблюдали, как разворачивается химия окисления. Используя масс-спектрометрию с очень высоким разрешением, ученые смогли наблюдать частицы, растущие из единичных газообразных молекул до кластеров, в которых соединялись до 10 молекул – как они росли молекула за молекулой.
«Выяснилось, что серная кислота и эти окисленные органические соединения необычно притягиваются друг к другу. Эта удивительно сильная связь может быть большой частью причины, по которой органика действительно притягивается к серной кислоте в современных условиях загрязнения», говорит Донахью.
Убедившись, что окисленные органические вещества участвуют в образовании и росте частиц при атмосферных условиях, ученые включили свои выводы в глобальную модель формирования частиц. Доработанная модель не только предсказала количество ядер нуклеации более точно, но и спрогнозировала увеличения и уменьшения нуклеации, наблюдаемые в полевых экспериментах в течение года, особенно для измерений вблизи леса. Этот последний тест является веским подтверждением фундаментальной роли выбросов от лесов в самой первой стадии формирования облаков, и того, что новая работа, возможно, успешно моделирует это влияние.