Новые результаты атмосферных исследований над Восточной частью Северной Атлантики показывают, что крошечные аэрозольные частицы, которые вызывают образование облаков, могут образовываться практически из ничего над открытым океаном. Это "образование новых частиц" происходит, когда солнечный свет вступает в реакцию с молекулами следовых газов в морском пограничном слое, атмосфере в пределах примерно первого километра над поверхностью Земли. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, улучшат представление аэрозолей и облаков в моделях, описывающих климат Земли, чтобы ученые могли понять, как частицы—и процессы, которые ими управляют—могли повлиять на прошлое и настоящее планеты, и сделать лучшие прогнозы о будущем.

"Когда мы говорим" образование новых частиц", мы имеем в виду отдельные молекулы газа, иногда всего несколько атомов размером, реагирующие с солнечным светом",-сказал соавтор исследования Чонгай Куанг, сотрудник Отдела экологических и климатических наук Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. "Интересно подумать о том, как что—то такого масштаба может оказать такое влияние на наш климат-на то, сколько энергии отражается или задерживается в нашей атмосфере", - сказал он.

Но моделирование деталей того, как аэрозольные частицы формируются и растут, и как молекулы воды конденсируются на них, чтобы стать облачными каплями и облаками, принимая во внимание, как различные свойства аэрозоля (например, их размер, количество и пространственное распределение) влияют на эти процессы, чрезвычайно сложно—особенно если вы не знаете, откуда берутся все аэрозоли. Поэтому группа ученых из Брукхейвена и сотрудники по атмосферным исследованиям по всему миру приступили к сбору данных в относительно нетронутой океанской среде. В этих условиях они ожидали, что концентрация следовых газов будет низкой, а образование облаков будет особенно чувствительным к свойствам аэрозоля—идеальная "лаборатория" для распутывания сложных взаимодействий.

"Это был эксперимент, который действительно использовал широкий и совместный опыт Брукхейвена в аэрозольных наблюдениях и наблюдениях за облаками", - сказал Куанг. Трое ведущих исследователей—ведущие авторы Гуанцзе Чжэн и Ян Ван, а также Цзянь Ван, главный исследователь аэрозольных и облачных экспериментов в Восточной части Северной Атлантики (ACE-ENA),—начали свое участие в проекте во время работы в Брукхейвене и остаются близкими сотрудниками лаборатории с момента переезда в Вашингтонский университет в Сент-Луисе в 2018 году.

Суша и море

В исследовании использовалась долгосрочная наземная станция отбора проб на острове Грасиоза на Азорских островах (архипелаг в 850 милях к западу от континентальной Португалии) и самолет Gulfstream-1, оснащенный 55 атмосферными приборными системами для проведения измерений на различных высотах над островом и в море. Как наземная станция, так и летательный аппарат принадлежат пользовательскому объекту Измерения атмосферного излучения (ARM) Управления науки ДОУ, управляемому и эксплуатируемому консорциумом из девяти национальных лабораторий ДОУ.

Команда пилотировала самолет на "морских свинках", поднимаясь и опускаясь через пограничный слой, чтобы получить вертикальные профили частиц и молекул газа-предшественника, присутствующих на разных высотах. И они координировали эти полеты с измерениями, сделанными с наземной станции.

Ученые не ожидали, что в пограничном слое в этой среде будет происходить образование новых частиц, потому что они ожидали, что концентрация критических газов-предшественников будет слишком низкой.

"Но были частицы, которые мы измерили на поверхности, которые были больше, чем недавно образовавшиеся частицы, и мы просто не знали, откуда они взялись", - сказал Куанг.

Измерения самолета дали им ответ.

"Этот самолет имел очень специфическую схему полета во время измерительной кампании", - сказал Куанг. "Они видели свидетельства того, что образование новых частиц происходит наверху—не на поверхности, а в верхнем пограничном слое." Доказательства включали сочетание повышенных концентраций мелких частиц, низких концентраций ранее существовавшей аэрозольной поверхности и явных признаков того, что реактивные следовые газы, такие как диметилсульфид, транспортируются вертикально-наряду с атмосферными условиями, благоприятными для реакции этих газов с солнечным светом.

"Затем, как только эти аэрозольные частицы образуются, они притягивают дополнительные молекулы газа, которые конденсируются и заставляют частицы расти примерно до 80-90 нанометров в диаметре. Эти более крупные частицы затем переносятся вниз—и это то, что мы измеряем на поверхности", - сказал Куанг.

"Измерения поверхности плюс измерения самолета дают нам действительно хорошее пространственное представление о происходящих аэрозольных процессах", - отметил он.

При определенном размере частицы становятся достаточно большими, чтобы притягивать водяной пар, который конденсируется, образуя облачные капли и, в конечном счете, облака.

Как отдельные аэрозольные частицы, взвешенные в атмосфере, так и облака, которые они в конечном итоге образуют, могут отражать и/или поглощать солнечный свет и влиять на температуру Земли, объяснил Куанг.

Последствия исследования

Итак, теперь, когда ученые знают, что над открытым океаном формируются новые аэрозольные частицы, что они могут сделать с этой информацией?

"Мы возьмем эти знания о том, что происходит, и убедимся, что этот процесс запечатлен в моделировании климатической системы Земли", - сказал Куанг.

Еще один важный вопрос: "Если это такая чистая окружающая среда, то откуда берутся все эти газы-предшественники?" - спросил Куанг. "Есть некоторые важные газы-предшественники, образующиеся в результате биологической активности в океане (например, диметилсульфид), которые также могут привести к образованию новых частиц. Это может быть хорошим продолжением этого исследования-изучение этих источников."

Понимание судьбы биогенных газов, таких как диметилсульфид, который является очень важным источником серы в атмосфере, является ключом к улучшению способности ученых предсказывать, как изменения в продуктивности океана повлияют на образование аэрозолей и, как следствие, на климат.

ИСТОЧНИК