Человеческая деятельность меняет химический состав атмосферы — даже в отдаленных местах — что может повлиять на то, как и когда формируются облака.
Таков вывод нового исследования ученых и их коллег из Университета Юты, которое показало, что в лаборатории на вершине горы в Колорадо новые аэрозольные частицы образуются в воздухе в среднем через день и что эти частицы, вероятно, образуются из газов, испускаемых близлежащими электростанциями, могут расти до тех пор, пока не станут достаточно большими, чтобы вода могла конденсироваться вокруг, образуя облака.
Исследование устанавливает важную научную связь с использованием недавно разработанных статистических методов , которые связывают рост аэрозолей с измеренными ядрами конденсации облаков, которые являются критически важными компонентами для точного моделирования роли аэрозолей и облаков в изменении климата.
«Лаборатория Шторм Пик — отдаленное место на западе Межгорья, — говорит Ганнет Халлар, профессор атмосферных наук. «То, что мы измеряем только там, не означает, что этого не происходит во всех других отдаленных местах на Западном Межгорье».
Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.
Как образуются облака
Начнем с процесса образования облаков . Чтобы образоваться, облакам нужно что-то в воздухе, например, крупинка грязи или соли, вокруг которой начал бы конденсироваться водяной пар. Эти штуки размером примерно в десятую часть диаметра паучьего шелка представляют собой частицы, называемые «ядрами облачной конденсации».
Известно, что повышенное содержание аэрозолей в атмосфере приводит к большему образованию облаков и большему количеству отражающих облаков. Но неизвестно, могут ли новые аэрозольные частицы, намного меньшие, чем ядра облачной конденсации и образовавшиеся в результате антропогенных выбросов, превратиться в ядра облачной конденсации. И также неизвестно, как включить взаимосвязь между аэрозолями и облаками в климатические модели . Как вы можете себе представить, облака играют большую роль в климате, отражая солнечную энергию и перемещая воду из одного места в другое. Таким образом, возможность реалистичного моделирования этих облаков может помочь повысить точность моделей, прогнозирующих изменения нашего климата.
В любой другой день
Чтобы понять взаимосвязь между образованием новых аэрозольных частиц и ядер конденсации облаков, недавний выпускник Ной Хиршорн, Халлар и их коллеги погрузились в 15-летний отчет об измерениях аэрозолей в Лаборатории Сторм-Пик, объекте Университета Юты под руководством Халлара и расположенном на горнолыжный курорт Steamboat в Колорадо на высоте более 10 500 футов (3210 м).
«Учитывая отдаленное расположение лаборатории Штормовой Пик на вершине горы, — пишут авторы, — в лаборатории обычно царят чистые атмосферные условия».
Однако с наветренной стороны лаборатории находится несколько электростанций, выбрасывающих диоксид серы , газ, который в атмосфере превращается в серную кислоту, которая может образовывать частицы и вызывать новые события образования частиц.
В течение почти 20 лет образование новых частиц измерялось людьми, которые смотрели на трехмерные диаграммы, показывающие измерения аэрозольных частиц с течением времени. Определенные закономерности появления всплесков новых частиц, а также постоянный рост этих частиц сформировали критерии для обозначения событий образования новых частиц.
Но Хиршорн, Халлар и другие исследователи, в том числе выпускники Университета Лорен Зуромски и Кристофер Рапп, разработали автоматический метод, основанный на статистике, для классификации событий образования новых частиц. Новый метод повышает точность и эффективность обнаружения событий и хорошо согласуется с ручными методами обнаружения.
Используя этот метод, исследователи обнаружили, что события образования новых частиц происходили на Грозовом пике в 50% дней в период с 2006 по 2021 год. Но сравнивая скорость образования новых частиц с количеством частиц, достаточно больших, чтобы служить ядрами конденсации облаков, авторы обнаружили, что новые события образования частиц увеличивают количество ядер конденсации облаков в 1,36 раза зимой и в 1,54 раза весной.
Что все это значит?
«Каждый день мы видим газы, которые конденсируются в наночастицы, которые становятся достаточно большими, чтобы поглощать воду и превращаться в облачные капли», — говорит Халлар.
«Это обеспечивает четкую связь от нового события образования частиц до ядер конденсации облаков», — говорит Хиршорн. «Самая большая непосредственная выгода от этого, вероятно, будет заключаться в том, что разработчики моделей климата смогут соединить одно с другим. Это заполняет множество пробелов».
Исследование было сосредоточено на лаборатории Штормового Пика с особой атмосферной химией, создаваемой электростанциями с наветренной стороны. Но вполне вероятно, говорят исследователи, что подобные скорости образования новых частиц происходят даже в отдаленных местах по всему миру. Хиршорн говорит, что они работают над применением своего статистического метода в обсерваториях на вершинах гор в Европе и Южной Америке. Недавно Халлар получил от Министерства энергетики США грант в размере 720 000 долларов на применение этого метода к данным, полученным в Центре измерения атмосферного излучения Министерства энергетики.
Формирование новых частиц — это процесс, который очень близок жителям района Уосатч-Фронт в штате Юта, где расположена буква U. Зимой явления температурной инверсии задерживают выбросы от автомобилей, предприятий и зданий под крышкой теплого воздуха, изменяя химический состав атмосферы и ухудшая качество воздуха.
«Около 70% аэрозоля, измеренного во время сильных инверсий, составляет нитрат аммония », — говорит Халлар, ссылаясь на исследование 2014 года, проведенное Департаментом качества воздуха штата Юта и Университетом Бригама Янга. «Это формируется в результате того же процесса образования новых частиц». Аспирант Херардо Каррильо-Карденас уже работает над применением статистических методов, чтобы лучше понять аэрозоли Юты, как они образуются и как они влияют на качество воздуха.
В будущем расположение Штормового пика сделает его идеальным местом для изучения того, как сокращение мировых выбросов парниковых газов может повлиять на образование новых частиц, поскольку силовые установки, которые в настоящее время выбрасывают диоксид серы с наветренной стороны лаборатории, вероятно, будут выведены из эксплуатации в течение 10–15 лет.
«Примерно через 20 лет у нас может быть ответ на этот вопрос», — говорит Хиршорн. «Моя гипотеза состоит в том, что вы увидите снижение частоты событий образования новых частиц. Это не исключит полностью образование новых частиц, но частота уменьшится».
