Впервые международная исследовательская группа под руководством Института тропосферных исследований им. Лейбница (TROPOS) исследовала зародышевые частицы атмосферного льда (INP) в ледяных кернах, что может дать представление о типе облачного покрова в Арктика за последние 500 лет. Эти ИНП играют важную роль в образовании льда в облаках и, таким образом, оказывают большое влияние на климат. Однако до сих пор имеется лишь несколько измерений, датированных всего несколькими десятилетиями. Новый метод может помочь получить информацию об исторических облаках из климатических архивов и, таким образом, закрыть большие пробелы в знаниях в исследованиях климата.
Команда из ТРОПОС, Университета Копенгагена, Университета Берна и Института Пауля Шеррера пишет в журнале Geophysical Research Letters, что данные об изменениях концентраций зародышевых частиц льда в атмосфере за последние столетия помочь лучше понять будущие изменения климата.
Климатические архивы важны для реконструкции прошлого климата и формулирования утверждений о развитии климата в будущем. В Европе за погодой наблюдают и регулярно регистрируют только около 300 лет. Однако до и в местах без метеостанции исследования зависят от выводов из природных архивов. Палеоклиматические исследования используют широкий спектр природных архивов, таких как годичные кольца деревьев, ледяные керны или отложения. В последние десятилетия был разработан и усовершенствован ряд методов, использующих косвенные индикаторы (климатические прокси) для получения выводов о таких климатических факторах, как температура, осадки, извержения вулканов и солнечная активность. Облака, среди прочего, ответственны за осадки, но они очень неуловимы и поэтому их трудно изучать. Но количество, тип и протяженность облаков и их льдистость оказывают большое влияние на радиационный баланс атмосферы, температуру земли и количество осадков, поэтому информация о параметрах, влияющих на облака, важна для реконструкции климата.
Метод, как улучшить наши знания об облаках и их роли в истории климата, теперь представлен международной исследовательской группой из Германии, Дании и Швейцарии. По их словам, команда впервые реконструировала концентрацию зародышевых частиц льда (INP) из ледяных кернов. Эти измерения могут быть использованы для реконструкции облачного покрова в будущем. «Ледообразование в облаках со смешанной фазой в основном вызвано неоднородным льдообразованием, т.е. ИНП необходимы для стимуляции замерзания переохлажденных облачных капель. Таким образом, количество и тип этих частиц влияют на осадки, время жизни и радиационные свойства облаков. В лаборатории мы смогли показать, что для этой цели особенно подходят два типа частиц: минеральная пыль из почвы, а также различные биологические частицы, такие как бактерии, грибковые споры или пыльца», - объясняет д-р Франк Стратманн, руководитель рабочая группа по облакам в TROPOS.
Ледяные керны часто используются для реконструкции различных климатических параметров, таких как температура, осадки или извержения вулканов за тысячи лет. Для опубликованного исследования команда смогла использовать части двух ледяных кернов из Арктики: керн «Ломо09» был пробурен на леднике Ломоносовфонна на Шпицбергене на высоте 1200 метров в 2009 году. Ледяной керн «EUROCORE» был тщательно извлечен в 1989 году с вершины ледяного щита Гренландии на высоте более 3000 метров. Замороженные образцы этих кернов были отправлены в Лейпциг, где теперь их исследовали на наличие INP. Небольшие образцы льда растаяли, а талая вода разделилась на множество мелких капель объемом 1 и 50 микролитров. Эти капли были помещены в две экспериментальные установки, каждая из которых имела почти 100 крошечных желобов, а затем контролируемым образом охлаждались. Эти установки уже использовались в предыдущих исследованиях: и LINA (Лейпцигская ледяная нуклеационная матрица), и INDA (ледяная нуклеационно-капельная решетка) представляют собой инструменты, в которых многие капли воды охлаждаются контролируемым образом. Через стеклянное окно можно наблюдать сверху, при какой температуре сколько капель замерзает. Затем количество замерзших капель преобразуется в концентрацию зародышевых частиц льда. «В 2015 году американские исследователи получили концентрации INP в атмосфере по снегу и атмосферным осадкам. То, что работает для осадков, должно работать и для образцов льда, - таков был наш подход. Таким образом, мы были первыми, кто показал, что исторические концентрации ядер льда также могут быть извлечены из ледяные керны», - говорит Маркус Хартманн из компании TROPOS, проводивший исследования в рамках своей докторской диссертации.
Это открывает новые возможности для палеоклиматических исследований. С 1930-х годов из ледников по всему миру было извлечено бесчисленное количество ледяных кернов, и был реконструирован климат прошлого. Информация о фазе облака (т.е. содержит ли оно лед или жидкую воду) отсутствовала. Исследование полярных и атмосферных исследователей является первым шагом в этом направлении. Поскольку у команды не было доступного непрерывного ледяного керна, она могла реконструировать частицы льда только за отдельные годы периода с 1735 по 1989 год в Гренландии и с 1480 по 1949 год на Шпицбергене. В целом за последние полтысячелетия не наблюдалось никакой тенденции к зарождению частиц льда. «Однако резкое потепление в Арктике происходило только около 25 лет. Анализируемый сейчас лед образовался до того, как началось это сильное потепление. Поэтому желательны как измерения непрерывного ледяного керна, так и более нового льда», - добавляет Маркус Хартманн.
Тот факт, что человечество вызвало глобальное потепление своими выбросами, не оспаривается исследователями. Однако неясно, насколько в результате изменились облака в атмосфере. Поэтому исследователи также надеются получить важную информацию в ходе исследований частиц льда, образующих ядра в воздухе. Осенью/зимой 2016 года команда из Пекинского университета, TROPOS, Гетеборгского университета и Китайской академии наук измерила концентрацию образующих лед частиц в воздухе китайской столицы Пекина. Однако доказать какую-либо связь с высоким уровнем загрязнения воздуха там не удалось. «Поэтому мы предполагаем, что зародышевые частицы льда в Пекине происходят в большей степени из естественных источников, таких как пыльные бури или биосфера, которые известны как источники зародышевых частиц льда, чем из антропогенных процессов горения», - говорит доктор Хайке Векс из TROPOS.. Но это снимок одного места и нельзя забывать о косвенном влиянии человека: Изменения в землепользовании или засухи влияют на пыль в атмосфере и на биосферу, что в свою очередь может привести к изменениям в облаках.«Чтобы лучше понять влияние человечества на атмосферу, исследователи облаков проводят измерения как в горячих точках загрязнения воздуха, таких как мегаполисы развивающихся стран, так и в относительно чистых регионах, таких как полярные регионы..
До сих пор относительно мало известно о количестве, свойствах и источниках зародышевых частиц льда в Арктике, хотя они являются важным фактором образования облаков и, следовательно, климата этой местности. Особенно длинные временные ряды с месячным или недельным временным разрешением практически отсутствуют, но необходимы для исследования сезонных эффектов. В журнале Atmospheric Chemistry and Physics, журнале с открытым доступом Европейского союза наук о Земле (EGU), международная группа, также возглавляемая TROPOS, недавно опубликовала обзор сезонных колебаний концентрации ядер льда в Арктике. Образцы с четырех исследовательских станций в Арктике за 2012/2013 и 2015/2016 гг. были исследованы в Лейпцигской облачной лаборатории TROPOS: Alert в Канаде, Ню-Олесунн на Шпицбергене (Норвегия), Уткиагвик (Барроу) на Аляске (США) и Виллум. (Станция Норд) в Гренландии (Дания).«Это дает нам представление о различиях между сезонами: больше всего частиц льда в воздухе с конца весны до начала осени, меньше всего зимой и в начале весны. Это влияет на то, как тип облачного покрова в Арктике меняется в течение года и, таким образом, влияние облаков на потепление в Арктике», - объясняет Хайке Векс. Исследователи надеются, что исследования приведут к более точным прогнозам изменения климата, поскольку климатические модели в настоящее время не могут адекватно отразить потепление в Арктике, что приведет к неопределенности, начиная от повышения уровня моря и заканчивая региональными изменениями климата в Европе.
Сложные процессы обратной связи между биосферой и климатом также станут частью экспедиции MOSAiC: в сентябре 2019 года немецкий исследовательский ледокол Polarstern под руководством Института Альфреда Вегенера (AWI) продрейфует Северный Ледовитый океан в течение одного год. При поддержке дополнительных ледоколов и самолетов в экспедиции MOSAiC примут участие 600 человек из 17 стран. Вместе с международным партнером AWI отвечает за пять основных направлений исследований: физика морского льда и снежного покрова, процессы в атмосфере и океане, биогеохимические циклы и арктическая экосистема. ТРОПОС будет играть ведущую роль в двух центральных измерениях: во-первых, контейнер дистанционного зондирования для всего дрейфующего льда будет непрерывно исследовать вертикальное распределение аэрозоля и облаков с использованием лидара, радара и микроволновых радиометров. С другой стороны, привязной аэростат будет максимально точно измерять арктический пограничный слой на участке полета. Оба измерения позволяют в большей или меньшей степени непосредственно определять вертикальное распределение зародышевых частиц льда. Кроме того, ТРОПОС снова будет исследовать поверхностный микрослой моря и талые пруды, которые, вероятно, являются основным источником зародышевых частиц льда в Арктике.
С 2016 года Совместный исследовательский центр TR172 «Арктическое усиление» Немецкого исследовательского фонда (DFG) занимается изучением причин, по которым Арктика прогревается гораздо сильнее, чем остальная Земля. Помимо Лейпцигского университета, в исследовательскую сеть также входят университеты Бремена и Кёльна, Институт Альфреда Вегенера, Центр полярных и морских исследований им. Гельмгольца (AWI) и Институт тропосферных исследований им. Лейбница (TROPOS) в Лейпциге. Тило Арнхольд