Предпосылкой для понимания того, как изменился климат за последние столетия, является способность максимально достоверно реконструировать доиндустриальные климатические условия. Важный вклад в настоящее время внесен всесторонним исследовательским сотрудничеством с участниками ЦЕРНа, Института Пауля Шеррера PSI и множества других научных учреждений по всему миру.
Исследователи исследовали образование аэрозольных частиц в атмосфере. Частицы аэрозоля важны для климата, потому что на них образуются капли воды, в результате чего образуются облака.
Частицы аэрозоля образуются не только непосредственно — например, из сажи, образующейся при сжигании древесины или в результате автомобильного движения, — но также могут образовываться в атмосфере из предшественников газовой фазы. Считалось, что присутствие серной кислоты было необходимо для этого последнего процесса, и поэтому этот механизм стал актуальным только с индустриализацией. Теперь исследователи показали, что частицы аэрозоля могут образовываться из газов-прекурсоров, выбрасываемых деревьями. Таким образом, эти природные вещества с незапамятных времен порождали семена облаков.
Эти результаты основаны на экспериментах в камере CLOUD в ЦЕРНе, где можно очень точно воспроизвести различные атмосферные условия. Кроме того, параллельные исследования на высокогорной исследовательской станции Юнгфрауйох в Швейцарских Альпах подтверждают, что эти процессы действительно имеют место в реальной атмосфере. Результаты представлены посредством скоординированной публикации трех статей в известных научных журналах — двух в Nature и одной в Science.
Чтобы оценить влияние человеческой деятельности на климат, ученые должны иметь возможность сравнивать сегодняшний климат с климатом доиндустриальной эпохи. Одним из важных аспектов этой работы является реконструкция количества и свойств облаков. Это важно, потому что облака могут отражать солнечный свет и, таким образом, в определенной степени маскировать потепление Земли из-за парниковых газов. В свою очередь, образование облаков в основном определяется аэрозольными частицами в воздухе, на которых вода может конденсироваться с образованием облачных капель.
Если доступно больше частиц, может образоваться больше капель, и это изменяет характеристики облаков. У аэрозольных частиц есть множество источников — например, от пыли пустыни до частиц сажи, образующихся при сжигании древесины или ископаемого топлива.
Кроме того, частицы аэрозоля могут образовываться в атмосфере посредством процесса, известного как зародышеобразование, когда молекулы газа соединяются вместе. До сих пор считалось, что этот процесс в решающей степени зависит от серной кислоты, которая только в больших количествах присутствовала в атмосфере с начала индустриализации.
Аэрозоли от природы«Теперь мы смогли показать, что аэрозольные частицы, способные засеивать облака, также могут возникать из органических веществ, таких как те, которые испускаются деревьями», — объясняет Урс Балтенспергер, руководитель Лаборатории атмосферной химии Института Пауля Шеррера. — инициатор проекта, который в этом году был удостоен награды Spiers Memorial Award Королевского химического общества за исследования аэрозолей в атмосфере. Это означает, что даже до индустриализации аэрозольные частицы образовывались из газообразных прекурсоров в атмосфере, что приводило к более высоким концентрациям, чем предполагалось ранее.
Это не обязательно означает, что в те дни было больше облаков, чем предполагалось ранее, добавляет исследователь PSI Жасмин Тростль. Но облака, вероятно, состояли из большего количества капель меньшего размера, поэтому они были ярче и отражали больше солнечного света обратно в космос.
Эти результаты были получены в рамках обширного международного исследовательского сотрудничества под руководством исследователей из CERN и PSI. Исследователи проводили свои эксперименты в ОБЛАЧНОЙ камере в ЦЕРНе и на высокогорной исследовательской станции Юнгфрауйох в Швейцарских Альпах.
Камера ОБЛАКА представляет собой цилиндрический сосуд высотой 4,3 метра и диаметром 3 метра, в котором можно очень точно воспроизвести различные атмосферные условия. Исследователи представили вещество пинен, которое испускают деревья, и смогли наблюдать, как частицы аэрозоля образуются внутри камеры ОБЛАКА.Образование аэрозоля в два этапа«Мы также охарактеризовали эти процессы с помощью математических моделей, с помощью которых мы можем понять, как эти частицы образуются», — объясняет Тростль.
В общем, это очень сложный процесс. Сначала молекулы пинена изменяются в результате реакции с окислителями, такими как озон, и создается множество похожих, но все же разных молекул — с разной степенью «липкости». Самые липкие, те, которые особенно хорошо связываются с другими молекулами, могут соединяться вместе, образуя крошечные частицы. Это первый важный шаг, потому что, если частицы не достигают минимального размера около 1,7 нанометра, они просто снова испаряются.
Однако при этом они все еще слишком малы, чтобы служить семенами облачных капель; для этого они должны быть размером примерно от 50 до 100 нанометров. По словам Тростля, для того, чтобы частицы могли расти дальше, на них должно конденсироваться большее количество молекул, в том числе менее липкие, которые легче прикрепляются к более крупным частицам и присутствуют в больших количествах. Эти результаты являются наиболее важными для эксперимента CLOUD в ЦЕРНе, подчеркивает исследователь ЦЕРН Джаспер Киркби, представитель эксперимента CLOUD.
Когда зарождение и рост чистых биогенных аэрозольных частиц включены в климатические модели, это должно улучшить наше понимание воздействия деятельности человека на облака и климат.Два этапа образования новых аэрозольных частиц описаны в паре статей в Nature. Исследователь ЦЕРН Джаспер Киркби — первый автор первой статьи в Nature; Исследователь PSI Жасмин Тростль является первым автором второго.
Аэрозоли высоко в горахКроме того, исследователи исследовали образование аэрозольных частиц в реальных атмосферных условиях на высокогорной исследовательской станции Юнгфрауйох.
Эта станция, расположенная на высоте более 3500 метров над уровнем моря, находится над самым нижним слоем атмосферы — пограничным слоем планеты. На этой высоте также можно найти частицы аэрозоля из пограничного слоя планеты, потому что они могут уноситься поднимающимся воздухом. Кроме того, здесь можно найти вновь образованные частицы, происхождение которых было необъяснимо — до сих пор. «Естественно, в отличие от эксперимента в ЦЕРНе, мы не могли ограничиться одним отдельным веществом в качестве предшественника аэрозольных частиц», — объясняет Федерико Бьянки, который участвовал в этом проекте во время своего исследования в PSI, а сейчас работает в нем. Хельсинкский университет.
При этом мы впервые в естественной обстановке наблюдали образование аэрозольных частиц из серной кислоты и аммиака. Что еще более важно, мы также смогли наблюдать образование новых аэрозольных частиц из чисто органических веществ. Таким образом, результаты измерений в камере CLOUD и Юнгфрауйоха совпадают, показывая, что частицы аэрозоля действительно образованы из чисто органических предшественников.
Между прочим, добавляет Бьянки, мы могли наблюдать образование аэрозоля на Юнгфрауйохе только в определенное время, потому что молекулы-предшественники также выходят из нижних слоев атмосферы, и, похоже, условия для этого образования аэрозоля являются благоприятными только в пределах временного окна около через два дня после выхода из пограничного слоя планеты.Бьянки — первый автор статьи в Science, в которой представлены результаты исследований Юнгфрауйоха.Синергия между лабораторией и полемИсследователи использовали одни и те же инструменты для наблюдений на Юнгфрауйохе и для измерений в камере ОБЛАКА.
Сердцем системы является масс-спектрометр — сложное оборудование, с помощью которого можно отличить друг от друга многие тысячи различных химических веществ. Используемое устройство было произведено швейцарской компанией TOFWERK AG в Туне. По словам Бьянки, эта машина позволила определить химический состав за считанные секунды.Публикации также показывают, насколько важно увязать лабораторные и полевые эксперименты.
Измерения в лаборатории позволяют детально исследовать отдельные механизмы, но только полевой эксперимент может предоставить информацию о том, актуален ли этот процесс в реальной атмосфере. И, по словам Урса Бальтенспергера, Юнгфрауйох — одно из лучших мест в мире для изучения такого рода процессов в реальной свободной тропосфере благодаря своему расположению, чистому воздуху и своей инфраструктуре.