Хотя в атмосфере существует несколько источников частиц, образующих лед, морские аэрозоли (SSAS) признаны значительным источником частиц, образующих ледяные зародыши (INP). Но что включает в себя SSAS, как они влияют на формирование облаков и как они, в свою очередь, могут повлиять на климат, остаются нерешенными и важными вопросами для ученых-атмосферистов.

Теперь исследователи из Университета Стоуни Брук разработали способ имитации SSAS в лабораторных резервуарах, которые отражают условия океана. Это позволило им определить органические соединения, связанные с растущими морскими микроорганизмами и выделяемые ими, и обнаружить подсказки к роли этих соединений в качестве INP. Они также изучили, что образование льда само по себе является сложным процессом и может формироваться с помощью различных механизмов. Их выводы подробно изложены в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Аэрозоли, генерируемые ветрами, дующими над поверхностью океана, и пузырьки образуют брызги из мелких частиц соли, покрытых органическими соединениями, которые могут переноситься высоко в атмосферу, где образуются облака. Они входят в число различных других типов частиц, включая пыль, сажу и пепел от лесных пожаров, которые способствуют образованию льда в атмосфере.

Океаны покрывают 70% поверхности планеты, причем районы, удаленные от континентов, где SSAS вносят основной вклад в INP и образование облаков. Чтобы ученые могли предсказать образование облаков и оценить их климатическое воздействие, им сначала необходимо понять, при каких условиях кристаллы льда могут образовываться из частиц, происходящих из крупнейшего источника - океана.

Автор-корреспондент Даниэль Кнопф, профессор химии атмосферы, и соавтор профессор Джозефин Аллер, микробиолог-океанограф из Школы морских и атмосферных наук (SoMAS) Университета Стоуни Брук, и их исследовательская группа смоделировали океанскую воду и сгенерировали ледообразующие частицы SSA. Они исследовали их и обнаружили, что частицы SSA состоят из продуктов метаболизма микроорганизмов, живущих вблизи поверхности океана.

В исследовательской лаборатории аэрозолей SoMAS в Стоуни Брук частицы SSA производились в герметичных имитационных резервуарах для воспроизведения условий океанов. Полученные в воздухе частицы использовались для экспериментов по формированию облаков. Их эксперименты продемонстрировали, что эти частицы производят кристаллы льда двумя совершенно разными путями в типичных атмосферных условиях — лед может образовываться либо из водяного пара на частицах SSA, либо из капель жидкого SSA.

"Наши результаты однозначно связывают микробиологические процессы в поверхностных водах океана с образованием облаков", - говорит Кнопф. "Исследование показало, что полисахариды и белки, выделяемые микроорганизмами, служат зародышеобразующими агентами в частицах SSA. Таким образом, мы смогли идентифицировать на молекулярно-видовом уровне органическое вещество, которое вызывает образование зародышей льда".

Команда, по словам Кнопфа, смогла добиться этого открытия, только изучив в мельчайших деталях состав отдельных частиц с использованием технологии рентгеновской микроскопии на синхротронном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

"Это исследование не только идентифицирует агент, образующий ледяные зародыши, но и обеспечивает первую целостную параметризацию для прогнозирования замерзания частиц SSA", - добавляет Аллер. "Эта новая параметризация включает замораживание погружением, поскольку INP погружается в жидкость, обычно воду, и образование ледяных зародышей при осаждении, когда на INP образуется лед без какой-либо видимой воды. Наша новая параметризация охватывает два сценария замерзания и может быть применена в моделях с разрешением облаков и климатических моделях для оценки воздействия облаков, содержащих кристаллы льда, на климат".

Одним из регионов, где такое моделирование образования льда и облаков может помочь, является полярная Арктика. И Кнопф, и Аллер говорят, что модель может помочь ограничить неопределенность при прогнозировании того, как потеплеют полярные регионы в будущем — регион, который нагревается быстрее, чем другие регионы мира.

В целом, авторы отмечают, что применение этих новых результатов процесса замораживания в сочетании с данными других исследований привело к созданию более четкой модели для описания того, как происходит процесс образования льда и как его можно предсказать, зная только температуру, влажность и размер частиц SSA.

Это исследование стало результатом междисциплинарного исследования, сочетающего анализ биохимии микробных организмов в поверхностных водах океана с процессами образования холодных облаков в атмосфере.

Проект был инициирован исследовательскими группами Аллера и Кнопфа, в которых участвовали трое бывших аспирантов Университета Стоуни Брук: Питер Альперт, ведущий автор, а ныне научный сотрудник Института Пола Шеррера в Швейцарии; Венди Килтхау, ныне работающая в Центре болезней животных Острова Плам, и Бингбинг Ван, ныне профессор Сямыньского университета в Китае.