Мы собрали бактерии из самого чистого воздуха на Земле, чтобы помочь разгадать тайну климатического моделирования

Южный океан — это обширная полоса открытой воды, опоясывающая всю планету между Антарктидой и массивами суши Южного полушария. Это самое облачное место на Земле, и количество солнечного света, которое отражается от этих облаков или проходит сквозь них, играет удивительно важную роль в глобальном климате. Это влияет на погодные условия, океанические течения, ледяной покров Антарктики, температуру поверхности моря и даже на осадки в тропиках.

Однако из-за удаленности Южного океана реальных исследований облаков там проводилось очень мало. Из-за этого недостатка данных компьютерные модели, симулирующие современный и будущий климат, переоценивают количество солнечного света, достигающего поверхности океана, по сравнению с фактическими спутниковыми наблюдениями. Основная причина этой неточности кроется в том, как модели симулируют облака, но никто не знал точно, почему они ошибаются. Для корректной работы моделей исследователям необходимо было понять, как формируются эти облака.

Чтобы выяснить, что на самом деле происходит в облаках над Южным океаном, небольшая армия атмосферных ученых, включая нас, отправилась изучать, как и когда формируются облака в этой удаленной части мира. Наши находки оказались неожиданными: в отличие от океанов Северного полушария, в пробах воздуха над Южным океаном практически не было частиц с суши. Это означает, что облака здесь могут отличаться от облаков над другими океанами, и мы можем использовать эти знания для улучшения климатических моделей.

Ледяные и водяные облака

Облака состоят из мельчайших капель воды или кристаллов льда, а часто из их смеси. Они формируются на мелких частицах в воздухе. Тип частицы играет большую роль в определении того, образуется ли жидкая капля или ледяной кристалл. Эти частицы могут быть естественного происхождения — как морские брызги, пыльца, пыль или даже бактерии — или антропогенного, например, от автомобилей, печей, электростанций и т.д.

Для неискушенного глаза ледяное и водяное облако выглядят почти одинаково, но они обладают совершенно разными свойствами. Ледяные облака отражают меньше солнечного света, дают больше осадков и существуют не так долго, как водяные. Для погоды — и для климатических моделей — важно, какие типы облаков присутствуют.

Климатические модели, как правило, предсказывают над Южным океаном слишком много ледяных облаков и недостаточно водяных по сравнению со спутниковыми данными. Но спутниковые измерения в полярных регионах проводить сложно, и они менее точны, поэтому мы хотели собрать прямые доказательства того, сколько на самом деле существует водяных облаков, и определить, почему их больше, чем предсказывают модели.

Загадка заключалась в следующем: почему водяных облаков больше, чем думают модели? Чтобы решить ее, нам нужно было узнать, какие типы частиц содержатся в атмосфере вокруг Антарктиды.

До нашей экспедиции у нас было несколько подсказок. Предыдущие моделирующие исследования предполагали, что частицы, образующие лед над Южным океаном, могут сильно отличаться от тех, что встречаются в Северном полушарии. Пыль отлично способствует образованию ледяных облаков, но из-за отсутствия пыльных источников на суше в Южном полушарии некоторые ученые выдвинули гипотезу, что за образование ледяных облаков над Южным океаном могут отвечать другие типы частиц.

Поскольку большинство моделей основаны на данных Северного полушария, если частицы в атмосфере Южного полушария каким-то образом отличаются, это могло бы объяснить ошибки.

Карты бактерий

Сложно напрямую измерить состав частиц над Южным океаном — их там просто очень мало. Поэтому, чтобы помочь нам выяснить, что находится внутри облаков, мы использовали косвенный подход: бактерии в воздухе.

Атмосфера полна микроорганизмов, которые переносятся воздушными потоками на сотни и тысячи километров, прежде чем вернуться на Землю. Эти бактерии подобны летающим номерным знакам: они уникальны и указывают, откуда пришла «машина» — или воздух. Поскольку ученые знают, где обитает большинство бактерий, можно, изучив микробы в пробе воздуха, определить его происхождение. А зная это, можно предсказать и происхождение частиц в воздухе — они пришли из тех же мест, где обычно живут бактерии.

Чтобы отобрать пробы воздушных бактерий в этом удаленном океаническом регионе, один из нас отправился в шестинедельную экспедицию на борту исследовательского судна R/V Investigator Австралийской национальной морской инфраструктуры. Погода была неспокойной, а волны часто покрывались белой пеной, но мы в течение одного-двух дней за раз прокачивали воздух с носа корабля через фильтр, улавливающий взвешенные частицы и бактерии. Затем мы замораживали фильтры, чтобы сохранить ДНК бактерий нетронутой.

Только океанические бактерии

В большинстве океанических регионов мира, особенно в Северном полушарии, где много суши, воздух содержит как морские, так и наземные частицы. Именно это мы ожидали найти и на юге.

Когда замороженные фильтры благополучно вернулись в нашу лабораторию в Колорадо, мы извлекли из бактерий ДНК и секвенировали ее, чтобы определить, какие виды мы поймали. К нашему большому удивлению, бактерии оказались практически исключительно морскими видами, обитающими в Южном океане. Мы обнаружили почти никаких наземных бактерий.

Если бактерии были из океана, то и частицы, формирующие облака, тоже. Это был ответ, который мы искали.

Частицы, способствующие образованию льда, очень редки в морской воде, а морские частицы отлично подходят для формирования водяных облаков. Если в воздухе в основном морские частицы, следует ожидать, что облака будут состоять преимущественно из жидких капель, что мы и наблюдали. Поскольку большинство моделей обрабатывают облака в этом регионе так же, как и в более пыльном Северном полушарии, неудивительно, что модели ошибались.

Дальнейшие шаги

Теперь, когда мы знаем, что летние облака над Южным океаном формируются исключительно из морских частиц, нам нужно выяснить, верно ли то же самое для других сезонов и больших высот. Более масштабный проект, в котором были задействованы как корабли, так и самолеты, дал атмосферным ученым гораздо лучшее представление об облаках как вблизи поверхности океана, так и высоко в атмосфере. Климатические моделисты среди нас уже включают эти новые данные в свои модели и, надеемся, скоро поделятся результатами.

Открытие того, что взвешенные частицы над Южным океаном в основном имеют океаническое происхождение, — это выдающееся достижение. Оно не только улучшает глобальные климатические модели, но и означает, что мы подтвердили: Южный океан является одним из самых экологически чистых регионов на Земле — местом, которое, вероятно, очень мало изменилось из-за деятельности человека. Наша работа, будем надеяться, улучшит климатические модели, но также дала исследователям базовый уровень для понимания того, как выглядит по-настоящему девственная морская среда.