В рамках международного проекта CLOUD в центре ядерных исследований CERN исследователи из PSI определили так называемые сесквитерпены — газообразные углеводороды, выделяемые растениями, — как основной фактор формирования облаков. Это открытие может уменьшить неопределенности в климатических моделях и помочь сделать более точные прогнозы. Исследование теперь опубликовано в журнале Science Advances.
Согласно последним прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), к 2100 году глобальный климат станет на 1,5–4,4 градуса Цельсия теплее, чем доиндустриальный уровень. Эта цифра основана на различных сценариях, описывающих, как могут развиваться антропогенные выбросы парниковых газов. в будущем. Так что в лучшем случае, если нам удастся быстро и радикально сократить выбросы, мы все равно сможем достичь целевого показателя Парижского соглашения в 1,5 градуса.
В худшем случае мы окажемся намного выше этого уровня. Однако такие прогнозы также подвержены некоторой неопределенности. Например, в худшем случае, когда выбросы продолжат резко увеличиваться, повышение температуры может составить всего 3,3 или 5,7 градуса Цельсия, а не 4,4 градуса.
Эти неопределенности в прогнозировании того, как изменятся температуры в результате конкретных изменений в выбросах парниковых газов, по существу связаны с тем, что ученые еще не до конца понимают все процессы, происходящие в атмосфере, — взаимодействия между различными газами и аэрозолями в ней. . Их создание является целью проекта CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), международного сотрудничества между исследователями атмосферы в центре ядерных исследований ЦЕРН в Женеве. PSI помогла построить камеру CLOUD и является членом руководящего комитета проекта.
Тайна образования облаков
В частности, пока остается неясным, каким образом будет развиваться облачный покров в будущем. Однако это ключевой фактор в прогнозировании климата, поскольку большее количество облаков отражает больше солнечной радиации, тем самым охлаждая земную поверхность.
Чтобы сформировать капли, из которых состоят облака, водяному пару необходимы ядра конденсации, твердые или жидкие частицы, на которых он конденсируется. Их обеспечивают самые разнообразные аэрозоли, мельчайшие твердые или жидкие частицы диаметром от 0,1 до 10 микрометров, которые производятся и выбрасываются в воздух как природой, так и в результате деятельности человека. Эти частицы могут включать, например, морскую соль, песок из пустыни, загрязняющие вещества от промышленности и транспорта или частицы сажи от пожаров.
Однако около половины ядер конденсации на самом деле образуется в воздухе, когда различные газообразные молекулы объединяются и превращаются в твердые тела — явление, которое эксперты называют «нуклеацией» или «образованием новых частиц» (NPF). Начнем с того, что такие частицы крошечные, размером чуть больше нескольких нанометров, но со временем они могут вырасти за счет конденсации газообразных молекул и затем служить ядрами конденсации.
Парниковые газы, запах которых можно почувствовать
Основным антропогенным газом, способствующим образованию частиц, является диоксид серы в виде серной кислоты, главным образом, образующийся при сжигании угля и нефти. Наиболее важными природными газами являются так называемые изопрены, монотерпены и сесквитерпены. Это углеводороды, которые в основном выделяются растительностью. Они являются ключевыми компонентами эфирных масел, которые мы чувствуем, когда, например, стригут траву или гуляем по лесу. Когда эти вещества окисляются, т.е. вступают в реакцию с озоном, в воздухе они образуют аэрозоли.
«Следует отметить, что концентрация диоксида серы в воздухе значительно снизилась за последние годы из-за ужесточения природоохранного законодательства и будет продолжать снижаться», — говорит Лубна Дада, ученый-атмосферник из PSI.
«Концентрация терпенов, с другой стороны, увеличивается, потому что растения выделяют больше их, когда они испытывают стресс — например, когда наблюдается повышение температуры и экстремальные погодные условия, а растительность чаще подвергается засухе».
Поэтому большой вопрос для улучшения прогнозов климата заключается в том, какой из факторов будет преобладать, приводя к увеличению или уменьшению образования облаков. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было бы знать, как каждое из этих веществ способствует образованию новых частиц. О серной кислоте уже многое известно, а роль монотерпенов и изопрена теперь также лучше понята благодаря измерениям в полевых и камерных экспериментах, таких как CLOUD, в которых принимала участие PSI.
Сесквитерпены встречаются редко, но эффективны.
До сих пор сесквитерпены не были в центре внимания исследований. «Это потому, что их довольно сложно измерить», — объясняет Дада. «Во-первых, потому что они очень быстро реагируют с озоном, а во-вторых, потому что встречаются гораздо реже, чем другие вещества».
Ежегодно выбрасывается около 465 миллионов тонн изопрена и 91 миллион тонн монотерпенов, тогда как на долю сесквитерпенов приходится всего 24 миллиона тонн. Тем не менее, новое исследование, ведущим автором которого является Дада, показало, что эти соединения играют важную роль в формировании облаков. Согласно измерениям, они образуют в десять раз больше частиц, чем два других органических вещества той же концентрации.
Чтобы определить это, Дада и ее соавторы использовали уникальную камеру CLOUD в Европейской организации ядерных исследований ЦЕРН. Камера представляет собой герметичную комнату, в которой можно моделировать различные атмосферные условия. «Эта климатическая камера объемом почти 30 кубических метров является самой чистой в своем роде в мире», — говорит Дада. «Настолько чистый, что позволяет нам изучать сесквитерпены даже при низких концентрациях, зафиксированных в атмосфере».
Именно это и было целью исследования. Он был разработан для моделирования образования биогенных частиц в атмосфере. В частности, исследователей интересовало изучение доиндустриальных времен, когда не было антропогенных выбросов диоксида серы. Это позволяет более четко определять и прогнозировать последствия человеческой деятельности. Однако антропогенный диоксид серы уже давно стал повсеместным в природе. Это еще одна причина, по которой жизнеспособной оказалась только камера ОБЛАКА. Это также позволяет производить доиндустриальную смесь в контролируемых условиях.
Постоянные частицы приводят к увеличению количества облаков
Эксперименты показали, что окисление природной смеси изопрена, монотерпенов и сесквитерпенов в чистом воздухе приводит к образованию большого разнообразия органических соединений – так называемых ULVOC (органические соединения со сверхнизкой летучестью). Как следует из названия, они не очень летучи и поэтому очень эффективно образуют частицы, которые со временем могут расти, превращаясь в ядра конденсации.
Огромный эффект сесквитерпенов был обнаружен, когда исследователи добавили сесквитерпены в камеру с суспензией, состоящей только из изопрена и монотерпенов. Даже добавление всего лишь двух процентов удвоило скорость образования новых частиц. «Это можно объяснить тем, что молекула сесквитерпена состоит из 15 атомов углерода, тогда как монотерпены состоят только из десяти, а изопрены — только из пяти», — говорит Дада.
С одной стороны, исследование раскрывает еще один способ, с помощью которого растительность может влиять на погоду и климат. Прежде всего, однако, результаты исследований показывают, что сесквитерпены должны быть включены в будущие климатические модели в качестве отдельного фактора , наряду с изопренами и монотерпенами, чтобы сделать их прогнозы более точными.
Это особенно актуально в свете снижения концентрации диоксида серы в атмосфере и одновременного увеличения биогенных выбросов в результате климатического стресса, а это означает, что последний, вероятно, станет все более важным для нашего будущего климата. Однако необходимы и другие исследования для дальнейшего улучшения прогнозов образования облаков . Такие проекты уже планируются в Лаборатории химии атмосферы.
«Далее, — говорит Имад Эль-Хаддад, руководитель группы по атмосферным молекулярным процессам, — мы и наши партнеры по CLOUD хотим выяснить, что именно произошло во время индустриализации, когда природная атмосфера стала все больше смешиваться с антропогенными газами, такими как диоксид серы, аммиак и другие антропогенные газы.»
