Лесные пожары производят минералы, которые замораживают облака

Некоторые частицы в атмосфере обладают уникальной способностью изменять свойства облаков, заставляя капли воды замерзать при более высоких температурах, чем обычно. Эти так называемые ледообразующие частицы могут сильно влиять на эволюцию облаков, осадков и климата. Предыдущие исследования указывали на сжигание биомассы, например, при лесных пожарах, как на основной источник атмосферных частиц, иногда включая эти редкие ледообразующие частицы, однако связь между горением и их выделением оставалась неясной.

Новое исследование Центра изучения атмосферных частиц Университета Карнеги-Меллон проливает свет на этот вопрос. Команда под руководством доцента химии и машиностроения Райана Салливана провела масштабные эксперименты с выбросами от реальных видов биотоплива. Учёные обнаружили, что минералы от сжигания биомассы являются ранее неучтённым и важным источником ледообразующих частиц, которые могут объяснить большую часть замерзающей активности, наблюдаемой в дыме лесных пожаров.

Исследователи выдвинули гипотезу, что усиление способности аэрозоля к образованию льда со временем связано с химическими изменениями частиц сажи. Однако эксперименты показали, что топливо, производившее больше всего сажи, обычно имело самые слабые ледообразующие свойства. «Так что не похоже, что объяснение было в саже», — отметил Салливан. Это дало ключевую подсказку, что причиной был не графитовая сажа.

Анализ золы, оставшейся после сжигания, с помощью рентгеновской дифракции и микроскопии выявил, что образцы с самыми сильными ледообразующими свойствами содержали больше всего кристаллического материала — минералов. Это стало ключевым открытием, поскольку известно, что именно кристаллические минералы обладают высокой ледообразующей способностью, но ранее этот механизм не изучался в контексте аэрозоля от горения биомассы и золы.

Дальнейшие эксперименты с образцами топлива из национальных заповедников позволили связать образование этих новых минералов с более высоким содержанием в исходном топливе таких элементов, как кремний, железо, алюминий и кальций. Высокотравные виды топлива, естественно содержащие больше этих элементов, производят больше ледообразующих частиц, чем древесина.

«Наши выводы представляют совершенно иную перспективу для научного сообщества, изучающего атмосферную химию, относительно источника минералов в дыме от горения биомассы, — сказал Салливан. — Они помогли разрешить давние неопределённости». Ранее считалось, что минералы в дыме — это просто поднятая с почвы пыль, но работа показала, что они образуются непосредственно в процессе горения, если топливо содержит необходимые элементы.