Черный углерод и другие загрязнители служат ядрами конденсации облаков. Мы только начинаем понимать их влияние на климат

Частицы, циркулирующие в атмосфере, вносят вклад в изменение климата, однако многое в том, как они взаимодействуют с солнечным светом и влияют на образование облаков, остается загадкой. Исследования приоткрывают завесу над влиянием этих крошечных частиц на нечто столь масштабное, как климат, анализируя их с помощью самолетов, спутников и наземных измерений.

Основной причиной изменения климата являются растущие концентрации углекислого газа (CO₂) в атмосфере. Этот рост продолжается с начала промышленной революции, и нам многое известно о поведении этого газа, улавливании им тепла и нагреве Земли.

Гораздо более загадочное влияние на климат оказывают взвешенные в воздухе частицы — аэрозоли. Особенно важен черный углерод (сажа), попадающий в воздух при сжигании растительности и выхлопах транспорта. Это вещество является вторым по величине фактором изменения климата, но его природа сильно отличается от CO₂.

«В то время как углекислый газ остается в воздухе сотни лет, черный углерод существует в атмосфере всего несколько недель», — пояснила профессор Бернадетт Вайнцирль, специалист по атмосфере и аэрозолям из Венского университета (Австрия).

Концентрации CO₂, хорошо смешивающегося газа, примерно одинаковы над Неаполем и над Гавайями. Количество и тип аэрозольных частиц, напротив, сильно варьируются в зависимости от региона. Их эффекты также различны: черный углерод поглощает тепло и нагревает воздух, минеральная пыль поглощает свет слабее, а некоторые другие частицы отражают свет от Земли. Ученым приходится вести сложный учет, суммируя нагревающий эффект одних частиц и вычитая охлаждающий эффект других.

Ситуацию усложняет то, что частицы служат ядрами конденсации для капель воды, формирующих облака. Тип частиц влияет на свойства этих облаков.

В проекте A-LIFE профессор Вайнцирль отслеживает как антропогенные загрязнители, так и природные частицы, например, пыль из пустынь. Для отбора проб в 2017 году ученые выполнили 22 полета на двухмоторном самолете Dassault Falcon 20 Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в восточном Средиземноморье. Этот регион идеален для исследований, так как содержит сажу от сжигания биомассы, пыль из пустынь Сахары и Аравии, а также сульфаты и черный углерод от транспорта и промышленности.

Профессор также участвовала в эксперименте с исследовательским самолетом NASA, который пролетел от Северного полюса до центра Тихого океана, внешнего края Антарктиды и обратно по Атлантике. Это позволило сравнить состав частиц в чистых, незатронутых человеком небесах и в сильно загрязненных небесах над восточным Средиземноморьем.

Было обнаружено больше крупных частиц (минеральной пыли) в верхних слоях атмосферы, чем предсказывали модели. Даже в удаленных от источников регионах северного полушария в воздухе регулярно находили частицы размером 10–20 микрометров. При этом черного углерода в верхней тропосфере оказалось меньше, чем ожидалось. «Мы видим, что в моделях черного углерода в верхней тропосфере больше, чем мы находим в природе, — говорит профессор Вайнцирль. — Следовательно, его согревающий эффект слабее, чем предсказывают модели». Возможное объяснение — большее, чем предполагалось, вымывание черного углерода из атмосферы дождем.

Аэрозольные частицы критически важны для образования облаков. «Каждая облачная капля обычно формируется на аэрозольной частице, потому что в атмосферных условиях облака не могут образоваться из чистой воды», — отметил профессор атмосферной физики Оксфордского университета (Великобритания) Филип Стир. Капли могут конденсироваться вокруг молекул, выделяемых растениями, сернистых соединений от вулканов, сажи из выхлопных труб и т.д.

Наука об аэрозолях и облакообразовании сложна, и характеристики частиц имеют значение: их размер, состав и смешение. Например, морская соль быстро впитывает влагу, а чистый черный углерод tends to отталкивает воду.

Облака, сформированные в загрязненных районах, обычно содержат больше аэрозолей и, следовательно, больше капель, но меньшего размера. Облака на основе морской соли или пустынной пыли содержат меньше капель, но каждая капля крупнее. Облака с загрязняющими аэрозолями, содержащие больше капель, выглядят ярче и лучше отражают свет, охлаждая атмосферу.

Аэрозоли и облака вносят неопределенность в климатические прогнозы. Профессор Стир в рамках проекта RECAP исследует, как частицы в небе влияют на осадки, изучая энергетический баланс атмосферы. «В тропиках мы наблюдаем локальное усиление осадков (вызванное поглощающими аэрозолями, такими как черный углерод), — пояснил он, — но в средних широтах, где сильнее влияние вращения Земли, мы получаем очень сильное уменьшение осадков».

Группа профессора Вайнцирль продолжает анализировать данные A-LIFE. Было подтверждено, что время жизни черного углерода в верхних слоях атмосферы короче, чем предполагалось. Кроме того, ее группа внесла вклад в открытие важности природного сернистого соединения для начала облакообразования в морской атмосфере и помогла выявить, что вновь образованные частицы в верхних слоях атмосферы над тропиками, коагулируя и опускаясь, способствуют формированию облаков.

Понимание влияния частиц на облака и климат остается серьезным вызовом, но ученые преодолевают его благодаря улучшенным измерениям и более глубокому пониманию взаимодействий.