Понимание того, как мельчайшие частицы, выбрасываемые автомобилями и заводами, влияют на климат Земли, требует точного моделирования климата и возможности количественной оценки воздействия этих загрязняющих частиц по сравнению с частицами, естественным образом присутствующими в атмосфере. Одна большая неопределенность заключается в том, какой была Земля до того, как начались эти выбросы индустриальной эпохи. В статье, только что опубликованной в Nature, ученые, участвующие в исследовании GoAmazon, описывают, как они отслеживали частицы в практически нетронутой атмосфере над тропическими лесами Амазонки, что дало им возможность эффективно повернуть время вспять на несколько сотен лет.
Ученые, частично спонсируемые Центром исследования климата Министерства энергетики США (DOE) по измерению атмосферной радиации (ARM) и Программой исследования атмосферных систем Министерства энергетики США, собирали и анализировали данные над Амазонкой в течение 2014-2015 годов. Сканируя небо на разных высотах и измеряя изменения количества частиц с течением времени, ученые выяснили источник крошечных частиц, которые вызывают образование облаков в «доиндустриальных» условиях..
Анализ, описанный в статье Nature, проведенный учеными из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, показывает, что в небе над Амазонкой большое количество мелких аэрозольных частиц, которые естественным образом образуются в верхних слоях атмосферы, переносятся в нижние слои атмосферы., известный как «пограничный слой», быстрыми нисходящими потоками, связанными с осадками. Затем в пограничном слое, где летучие органические соединения, выделяемые деревьями, реагируют с окислителями, продукты окисления конденсируются на этих мелких частицах и заставляют их прорастать в «ядра», вокруг которых образуются облака.
«Во многих других местах мы знаем, что эти частицы, образующие облака, поступают непосредственно из выбросов автомобилей и заводов или формируются в результате конденсации молекул промышленного газа с образованием новых частиц», - сказал атмосферный химик Брукхейвенской лаборатории Цзянь Ван, один из из руководителей исследования. «Но в Амазонии чистые условия - ни машин, ни заводов, - а это значит, что мы можем изучить эту первозданную среду, чтобы увидеть, какой была Земля до индустриальной эры, чтобы количественно определить, каковы изменения. Наши измерения улучшат то, как эти изменения ключевые атмосферные процессы представлены в климатических моделях."
От частиц к облакам
Большинство облаков, создающих тень и обладающих высокой отражательной способностью и оказывающих наибольшее потенциальное влияние на климат, формируются у поверхности Земли. В Амазонке процесс начинается с частиц размером от 20 до 40 нанометров в диаметре. По словам Вана, на уровне земли эти мелкие частицы вырастают за счет конденсации окисленных органических веществ до размера, необходимого для образования облаков по мере их подъема в атмосферу.
«Исследования показывают, что в пограничном слое, самой нижней части атмосферы, не происходит образования новых частиц», - сказал Ван. «Кроме того, в Амазонке много дождей, и дождь вымывает много частиц из пограничного слоя».
В отсутствие промышленных источников и со всеми дождями, откуда берутся мелкие частицы в пограничном слое Амазонки? Ученые GoAmazon предположили, что частицы могут поступать из более высоких слоев атмосферы, где низкие температуры значительно облегчают конденсацию молекул пара и образование крошечных частиц. Но как они попадают в пограничный слой?
Данные в пути
Чтобы выяснить это, ученые измерили количество и размеры частиц на разных высотах над нетронутым регионом тропических лесов Амазонки, используя исследовательский самолет DOE ARM Climate Research Facility, управляемый Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией. Самолет был оснащен оборудованием для отбора проб аэрозолей и приборами для отслеживания основных метеорологических переменных. Эти инструменты включали быстрый интегрированный мобильный спектрометр, разработанный и построенный в Брукхейвене, который мог быстро проводить измерения аэрозолей, что было абсолютно необходимо, учитывая скорость самолета..
«Мы провели несколько полетов, начиная с пограничного слоя до высот от 2000 до 3000 метров, поднимаясь уровень за уровнем в «нижнюю свободную тропосферу» - от 5 до 6 километров над поверхностью», - Ван сказал.
Приборы измерили высокую концентрацию мелких частиц диаметром 20-40 нанометров в нижних слоях свободной тропосферы. На более низких высотах распределение по размерам изменилось, и более высокая концентрация более крупных частиц диаметром не менее 100 нанометров была обнаружена ближе к Земле.
Ученые также собрали данные с наземных приборов, установленных и поддерживаемых сотрудниками из Германии и Бразилии, и измерений облачных радаров с мобильного объекта ARM. Эти данные позволили им отслеживать, как частицы на уровне земли изменялись после дождя, и измерять, как перемещаются воздушные массы, когда проходит шторм.
Перед ливнем, сказал Ван, наземные приборы измеряли много крупных частиц и мало мелких. «После дождя у нас происходит обратное: крупные частицы «высыпались дождем», но в то же время мы видим множество мелких частиц, появляющихся на уровне земли, таких же, как те, которые G-1 измерил в нижней свободной тропосфере.."
Эти наблюдения были подкреплены оценками, основанными на данных радара, о том, сколько воздуха (и сколько частиц) должно перемещаться от слоя к слою в нисходящих потоках, связанных с дождем. Дополнительный детальный статистический анализ подтвердил, что быстрые, спорадические нисходящие потоки, связанные с осадками, переносят достаточное количество мелких частиц из нижней свободной тропосферы в пограничный слой, чтобы создать свежую популяцию частиц, которые в конечном итоге будут способствовать образованию новых облаков после каждого ливня.
«Это звучит как простая история, но вы не можете сделать такие выводы с помощью всего лишь одного измерения», - сказал Ван.«Нам нужны были все сотрудники, проводящие эти одновременные измерения во всех этих местах - в слоях атмосферы, на радаре и на земле - чтобы совместить все это».
Последствия, добавил он, могут выходить за пределы тропиков и относиться ко многим континентальным участкам 200-300 лет назад, в доиндустриальную эпоху. «Сегодня у нас есть много экспериментов по измерению атмосферы. Это гораздо лучше понятно по сравнению с тем, что мы знаем о том, как все было 300 лет назад. Но с этим исследованием у нас теперь есть измерения, которые мы можем использовать в качестве отправной точки, которая поможет нам понять последствия индустриализации».
Полевая кампания GoAmazon проводилась в США Гарвардским университетом, а в Бразилии - консорциумом бразильских и немецких исследовательских групп. В исследовании также приняли участие ученые из Финляндии и Швеции. Центр климатических исследований ARM является пользовательским центром Министерства энергетики США.