Немногие люди добровольно летают через шлейфы дыма от лесных пожаров. Но ученые-атмосферники из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США делают это снова и снова, отслеживая траектории полета, которые могут вызвать у обычных авиапассажиров недомогание. Их цель? Измерить свойства частиц сажи, выбрасываемых лесными пожарами, чтобы узнать, как эти шлейфы влияют на климат Земли.

Правильное моделирование воздействия этих частиц очень важно, говорят ученые, поскольку лесные пожары становятся все более интенсивными и частыми, отчасти из-за засух, вызванных повышением глобальной температуры и изменением гидрологических циклов.

"Нам нужно лучше понять частицы, выбрасываемые этими пожарами, включая то, как они эволюционируют, чтобы мы могли улучшить наши прогнозы их воздействия на климат, изменение климата и здоровье человека", - сказал Артур Седлачек, один из бесстрашных пробоотборщиков дыма.

Седлачек и другие сотрудники Брукхейвена и сотрудничающих институтов недавно опубликовали в журнале Environmental Science & Technology исследование, которое свидетельствует о том, что глобальные климатические модели не дают полной картины.

Эти модели основывают оценки того, как пожары влияют на климат, на оптических свойствах частиц сажи, отобранных в непосредственной близости от пожара. Как показывают новые данные, такой подход не учитывает изменения частиц сажи с течением времени. Эти изменения, по словам ученых, могут значительно повлиять на то, сколько солнечного света частицы рассеивают или поглощают, как они взаимодействуют с водой и насколько вероятно образование облаков - все это важно для того, как они в конечном итоге влияют на климат Земли.

"Основываясь на этих результатах, мы должны переоценить использование наблюдений вблизи источников и лабораторных экспериментов в качестве единственного источника для определения того, как эти частицы представлены в региональном и глобальном масштабе", - сказал Седлачек.

Пересекающиеся дымовые шлейфы

Для сбора новых данных о том, как эволюционируют частицы сажи, ученые установили чувствительные приборы, предназначенные для анализа аэрозольных частиц, на самолетах, эксплуатируемых Министерством энергетики и НАСА.

В рамках двух кампаний по изучению атмосферы, проводимых этими двумя агентствами по всему миру, они совершили более 60 исследовательских полетов через шлейфы лесных пожаров, туда и обратно на все большем расстоянии от пожаров. Многократно пересекая каждый шлейф, они собрали молодые частицы, находящиеся относительно близко к пожарам, а также частицы, которые развивались в течение нескольких часов. В ходе других полетов были отобраны пробы шлейфов, расположенных далеко от источников, возраст которых оценивался более чем в 10 дней.

Их главной добычей был черный углерод, или сажа, - основное поглощающее свет вещество, выбрасываемое пожарами, и доминирующая частица, способствующая потеплению климата.

"Черный углерод - отличный трассер для изучения шлейфов лесных пожаров, потому что он инертен, то есть не вступает в химическую реакцию", - сказал соавтор исследования ученый из Брукхейвена Эрни Льюис. "Он легко поглощает свет (именно поэтому он черный), и поэтому может быть легко обнаружен нашими приборами".

"Кроме того, единственными источниками его удаления из атмосферы являются гравитация, которая мало влияет на эти частицы из-за их малого размера, и дождь, выпадающий после того, как они образуют облачные капли", - сказал он.

Для того чтобы вокруг сажи образовались облачные капли, черный углерод должен сначала покрыться слоем других веществ. И вот тут-то история простого черного углерода становится намного сложнее.

В течение первого часа после образования частица черного углерода начинает покрываться слоем органических веществ. Это покрытие в основном состоит из летучих органических соединений, которые испаряются при сжигании растительности и затем заключают в себе "ядра" черного углерода.

Большинство климатических моделей предполагают, что все частицы сажи похожи на эти равномерно покрытые ядра черного углерода. Но данные, собранные для этого исследования, показывают, что толщина покрытия остается относительно постоянной только в течение одного-двух дней. Затем уровень покрытия начинает медленно снижаться, пока к 10-му дню жизненного цикла частицы не останется только около 30 процентов покрытия.

"Эта медленная потеря материала покрытия не учитывается в современных климатических моделях", - сказал Седлачек.

Данные показывают, что частицы проводят большую часть своего существования с истончающимся покрытием и ближе к финальной, 30-процентной стадии эволюции, чем на любом другом этапе своего жизненного цикла, который может длиться пару недель.

Поглощение и рассеивание света

Эти изменения оказывают значительное влияние на оптические свойства частиц. Например, по мере уменьшения толщины покрытия на частице технического углерода количество рассеянного частицей света уменьшается быстрее, чем количество поглощенного света. Поскольку рассеивание света частицами обычно оказывает охлаждающее воздействие на климат Земли, а поглощение света - согревающее, такое изменение баланса меняет влияние этих частиц на климат.

Кроме того, для шлейфов на низких высотах, где образуются облака, частицы с более толстым покрытием легче образуют облачные капли. Это означает, что эти частицы могут быть удалены из шлейфа и выпасть из атмосферы, если облачная капля превратится в каплю дождя. Поэтому частицы черного углерода, оставшиеся в шлейфе, имеют более тонкое покрытие.

"Более тонкое покрытие делает эти оставшиеся частицы шлейфа относительно более светопоглощающими и менее рассеивающими, чем смесь частиц, которая была в шлейфе до образования облаков", - объяснил Льюис. "И снова, большее поглощение может задержать больше тепла и согреть климат Земли".

Профессиональные инструменты

Основным прибором, используемым для определения характеристик частиц черного углерода, является фотометр одиночных частиц сажи (SP2). Этот прибор посылает поток частиц одну за другой через лазерный луч и улавливает вспышки света, когда частицы испаряются. Он может получать информацию о тысячах частиц в секунду, включая их размеры и толщину покрытия. Вот как это работает:

Если частица не содержит технического углерода, она только рассеивает свет лазера, и по количеству рассеянного света можно определить размер частицы.

С частицами, содержащими технический углерод, все не так просто. Они не только рассеивают свет, но и поглощают его (помните, именно это делает углеродную часть частиц черной). При этом они быстро нагреваются, вызывая ряд событий, которые происходят в течение нескольких миллионных долей секунды.

Во-первых, покрытие испаряется, делая частицы меньше, что приводит к уменьшению рассеянного света. Затем, когда покрытие исчезло и не может рассеивать тепло, частицы черного углерода действительно нагреваются - почти до 7 000 градусов по Фаренгейту! Это заставляет их испаряться и испускать вспышку света. Количество света, улавливаемого SP2, напрямую зависит от того, сколько черного углерода было в частице. Вычитание этого количества из размера частиц, определенного по первоначальному лазерному рассеянию, дает ученым данные о толщине покрытия.

Этот массив данных как о частицах черного углерода в шлейфе, так и о других частицах можно использовать для расчета того, как шлейф в целом взаимодействует с солнечным светом и влияет на климат. Проводя измерения шлейфов разного возраста, ученые смогут лучше понять, как эти взаимодействия меняются в течение жизни шлейфов.

Наблюдения, полученные в ходе этих полевых кампаний, полезны еще и тем, что они привлекают внимание к новым исследовательским вопросам - например, к тому, как частицы в дымовом шлейфе образуют облачные капли.

"Понимание сложных и запутанных взаимодействий между аэрозолями и облаками требует многостороннего подхода, при котором полевые измерения используются в моделях, модели находят расхождения, требующие проведения целевых лабораторных экспериментов, а результаты лабораторных исследований мотивируют новые полевые кампании", - сказал Седлачек.