В рамках международного проекта CLOUD в CERN исследователи из PSI обнаружили, что так называемые сесквитерпены — газообразные углеводороды, выделяемые растениями, — являются основным фактором образования облаков. Это открытие может уменьшить неопределенность 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 гипотетических сценариях, описывающих, как антропогенные выбросы парниковых газов будут развиваться в будущем. Таким образом, в лучшем случае, если мы сможем быстро и полностью контролировать выбросы, мы все равно сможем достичь целевого показателя в 1,5 градуса Цельсия, установленного Парижским соглашением. В худшем случае мы значительно превысим эту цель.
Однако в этом прогнозе есть и определенная степень неопределенности. Например, в худшем случае, если выбросы продолжат резко расти, повышение температуры может составить всего 3,3 градуса Цельсия или достичь 5,7 градуса Цельсия вместо 4,4 градуса Цельсия.
Эти неопределенности в прогнозировании того, как конкретные изменения в выбросах парниковых газов приведут к изменению температуры, во многом связаны с тем, что ученые еще не до конца понимают все процессы, происходящие в атмосфере, - взаимодействия между различными газами и аэрозолями в атмосфере. Исследователи атмосферы в центре ядерных исследований ЦЕРН в Женеве запустили международный совместный проект CLOUD (Cosmic Droplets Leaving Outdoors), целью которого является установление этих процессов. PSI помогла построить испытательную камеру CLOUD и является членом руководящего комитета проекта.
Тайна образования облаков
Как облака будут формироваться в будущем, в частности, остается во многом загадкой. Однако это ключевой фактор в прогнозировании климата, поскольку большее количество облаков отражает больше солнечной радиации, охлаждая поверхность Земли.
Для формирования капель воды, из которых состоят облака, водяному пару необходимы ядра конденсации, которые представляют собой твердые или жидкие частицы, на которых он может конденсироваться. Эти частицы представляют собой различные аэрозоли, которые представляют собой крошечные твердые или жидкие частицы диаметром от 0,1 до 10 микрон, которые производятся и выбрасываются в воздух в результате деятельности природы и человека. Эти частицы включают соль из океана, песок из пустынь, загрязняющие вещества от промышленности и транспорта или частицы дыма от пожаров.
Однако около половины всех ядер конденсации на самом деле образуется, когда различные газообразные молекулы в воздухе объединяются, образуя твердое вещество. Эксперты называют этот феномен «нуклеацией» или «образованием новых частиц» (NPF). Сначала эти частицы очень крошечные, размером всего несколько нанометров, но со временем они растут за счет конденсации газообразных молекул и затем становятся ядрами конденсации.
Парниковые газы, которые можно почувствовать по запаху
Основным антропогенным газом, вызывающим образование частиц, является диоксид серы в форме серной кислоты, в основном образующийся при сжигании угля и нефти. Наиболее важными из этих природных газов являются так называемые изоолефины, монотерпены и сесквитерпены. Это углеводороды, выделяемые преимущественно растительностью. Они являются основными компонентами эфирных масел, запах которых мы чувствуем, например, когда косим траву или гуляем по лесу. Когда эти вещества окисляются, то есть вступают в реакцию с озоном, они образуют в воздухе аэрозоли.
Лубна Дада, ученый-атмосферник PSI, сказала: «Следует отметить, что концентрация диоксида серы в воздухе значительно упала в последние годы и будет продолжать падать из-за ужесточения природоохранного законодательства. С другой стороны, концентрация терпенов увеличивается из-за роста растений».
Поэтому большой вопрос для улучшения прогнозов климата какие факторы будут доминировать, вызывая большее или меньшее образование облаков. Чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо знать, как каждое из этих веществ способствует образованию новых частиц. О серной кислоте уже многое известно, а роль монотерпенов и изопрена теперь лучше понята благодаря полевым измерениям и лабораторным экспериментам, таким как CLOUD, в которых участвует PSI.
Сесквитерпены редки, но эффективны.
«До сих пор сесквитерпены не были в центре внимания исследований». Дада объясняет: «Это потому, что их трудно измерить. Во-первых, потому, что они очень быстро реагируют с озоном, а во-вторых, потому, что появляются гораздо реже, чем другие вещества». Тем не менее, 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 сотрудники использовали уникальную лабораторию CLOUD в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Испытательная камера представляет собой герметичное помещение, имитирующее различные атмосферные условия. Эта климатическая камера объемом почти 30 кубических метров является самой чистой в мире. Чистота настолько высока, что сесквитерпены можно изучать даже при очень низких концентрациях, зафиксированных в атмосфере.
Это именно то, чему было посвящено данное исследование. Целью этого исследования было моделирование образования биологических частиц в атмосфере. В частности, исследователей интересовало изучение доиндустриальной эпохи, когда не было антропогенных выбросов диоксида серы. Это позволит более четко определять и прогнозировать последствия человеческой деятельности. Однако антропогенные выбросы диоксида серы уже давно широко распространены в природе. Это еще одна причина, по которой возможны только камеры Вильсона. Он также может производить доиндустриальные смеси в контролируемых условиях.
Постоянные частицы приносят больше облаков
Эксперименты показали, что окисление природных смесей изопрена, монотерпенов и сесквитерпенов в чистом воздухе приводит к образованию большого количества органических соединений, так называемых УЛЛОС. (сверхнизколетучие органические соединения). Как следует из названия, эти органические соединения не очень летучи и, следовательно, очень эффективны в формировании частиц, которые со временем увеличиваются в размерах и становятся ядрами конденсации. Драматический эффект сесквитерпенов стал очевиден, когда исследователи добавили их к суспензии, содержащей только изопентены и монотерпены. Даже добавление всего 2% удвоило скорость образования новых частиц. Это можно объяснить тем, что молекулы сесквитерпенов состоят из 15 атомов углерода, тогда как монотерпены имеют только 10 атомов углерода, а изопентены – только 5 атомов углерода.
С одной стороны, это исследование раскрывает другой способ влияния растительности на погоду и климат. Но самое главное, полученные результаты показывают, что сесквитерпены следует включать в качестве отдельного фактора в будущие климатические модели наряду с изопентенами и монотерпенами, чтобы сделать их прогнозы более точными. Особенно с учетом снижения концентрации диоксида серы в атмосфере и одновременного увеличения биологических выбросов из-за климатического стресса, это означает, что последний, вероятно, будет оказывать все большее влияние на будущий климат. Однако необходимы дополнительные исследования для дальнейшего улучшения прогнозов образования облаков. Лаборатория химии атмосферы уже планирует эти исследования.
Имад Эль-Хаддад, руководитель исследовательской группы по атмосферным молекулярным процессам, сказал: «Далее мы и наши партнеры по CLOUD хотим выяснить, что именно произошло во время индустриализации, когда природная атмосфера все больше смешивалась с антропогенными газами, такими как диоксид серы, аммиак и другие антропогенные органические соединения».