Сажа вырывается из дизельных двигателей, поднимается из дровяных и навозных кухонных плит и вырывается из дымовых труб нефтеперерабатывающих заводов. Согласно недавним исследованиям, загрязнение воздуха, в том числе сажей, связано с сердечными заболеваниями, некоторыми видами рака, а в Соединенных Штатах - со 150 000 случаев диабета каждый год.
Помимо своего воздействия на здоровье, сажа, которую ученые-атмосферники называют черным углеродом, является мощным фактором глобального потепления. Он поглощает солнечный свет и удерживает тепло в атмосфере, по величине уступая лишь пресловутому углекислому газу. Недавние комментарии в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences назвали отсутствие единого мнения о величине поглощения света сажей «одной из главных проблем в науке об атмосферном климате».
Раджан Чакрабарти, доцент Школы инженерии и прикладных наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и Уильям Р. Хейнсон, научный сотрудник Национального научного фонда в лаборатории Чакрабарти, взялись за эту задачу и открыли нечто новое о саже, вернее, о новом законе, описывающем ее способность поглощать свет: законе поглощения света. С его помощью ученые смогут лучше понять роль сажи в изменении климата.
Исследование было выбрано как «Предложение редакции», опубликованное в Интернете 19 ноября в журнале Physical Review Letters.
Из-за его способности поглощать солнечный свет и напрямую нагревать окружающий воздух ученые-климатологи включают сажу в свои модели - вычислительные системы, которые пытаются воспроизвести условия реального мира - а затем предсказывают будущие тенденции потепления. Ученые используют наблюдения реального мира для программирования своих моделей.
Но не было единого мнения о том, как учитывать поглощение света сажей в этих моделях. Они трактуют его слишком упрощенно, используя сферу для представления чистого черного углеродного аэрозоля.
«Но природа забавна, у нее есть свои способы добавить сложности», - сказал Чакрабарти. «По массе 80 процентов всего черного углерода, который вы находите, всегда смешанный. Он не идеален, как его рассматривают модели».
Частицы смешаны или покрыты органическими аэрозолями, которые выбрасываются вместе с сажей из системы сгорания. Оказывается, черный углерод поглощает больше света, когда он покрыт этими органическими материалами, но величина усиления поглощения изменяется нелинейно в зависимости от количества покрытия.
Чакрабарти и Хейнсон хотели выяснить универсальную взаимосвязь между количеством покрытия и способностью сажи поглощать свет.
Во-первых, они создали смоделированные частицы, которые выглядели точно так же, как те, что встречаются в природе, с различной степенью органического покрытия. Затем, используя методы, заимствованные из работы Чакрабарти с фракталами, команда провела точные расчеты, шаг за шагом измеряя поглощение света частицами.
Когда они построили график величин поглощения в зависимости от процентного содержания органического покрытия, результатом стало то, что математики и ученые называют «универсальным степенным законом». Это означает, что по мере увеличения количества покрытия пропорционально возрастает светопоглощение сажи.
(Длина и площадь квадрата связаны универсальным степенным законом: Если вы удвоите длину сторон квадрата, площадь увеличится в четыре раза. Не имеет значения, какова начальная длина стороны было, отношения всегда будут держаться.)
Затем они обратились к работе, проделанной различными исследовательскими группами, которые измеряли поглощение окружающего света сажей по всему миру, от Хьюстона до Лондона и Пекина. Чакрабарти и Хейнсон снова построили графики увеличения поглощения в зависимости от процента покрытия.
Результатом стал универсальный степенной закон с тем же отношением одной трети, что и в их смоделированных экспериментах.
По словам Чакрабарти, с таким большим количеством различных значений увеличения поглощения света сажей разработчики моделей климата запутались. «Что же мы делаем? Как мы объясняем реальность в наших моделях?
"Теперь у вас есть порядок в хаосе и закон", сказал он. «И теперь вы можете применить его с минимальными вычислительными затратами».
Их результаты также указывают на тот факт, что потепление из-за черного углерода могло быть недооценено моделями климата. Предположение о сферической форме этих частиц и неправильный учет усиления поглощения света могут привести к значительно более низким оценкам нагрева.
Рахул Завери, старший научный сотрудник и разработчик комплексной модели аэрозоля MOSAIC в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, называет результаты значительным и своевременным достижением.
«Я особенно впечатлен математической элегантностью и чрезвычайной вычислительной эффективностью новой параметризации, - сказал он, - которая может быть легко реализована в климатических моделях после того, как сопутствующая параметризация для рассеяния света частицами черного углерода с покрытием будет разработан."
Реакция пионера в области исследования черного углерода
«Этот документ укрепляет науку и подтверждает роль черного углерода как существенного фактора изменения климата», - сказал Марк З. Джейкобсон, профессор гражданской и экологической инженерии и директор программы «Атмосфера/Энергия» в Стэнфордском университете..
"Эта статья показывает, с помощью комбинации данных и высокодетального моделирования, что не только подтверждаются ранее обнаруженные сильные климатические эффекты, но также и то, что они могут быть даже недооценены в некоторых из предыдущих исследований, потому что многие предыдущие исследования не учитывали фактическую форму частиц сажи и образующихся смесей."