У рамках міжнародного проекту CLOUD у центрі ядерних досліджень CERN дослідники PSI визначили так звані сесквітерпени — газоподібні вуглеводні, що виділяються рослинами — як головний фактор формування хмар. Це відкриття може зменшити невизначеності в кліматичних моделях і допомогти зробити точніші прогнози. Дослідження опубліковано в журналі Science Advances.
Згідно з останніми прогнозами Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (IPCC), до 2100 року глобальний клімат буде на 1,5-4,4 градуса Цельсія теплішим, ніж доіндустріальний рівень. Ця цифра базується на різних сценаріях, що описують, як можуть розвиватися антропогенні викиди парникових газів. в майбутньому. Тож у найкращому випадку, якщо нам вдасться швидко й радикально обмежити викиди, ми все одно зможемо досягти мети Паризької угоди в 1,5 градуса.
У гіршому випадку ми опинимося набагато вище цього. Однак такі прогнози також піддаються певній невизначеності. У найгіршому випадку, наприклад, коли викиди продовжуватимуть різко зростати, підвищення температури може становити лише 3,3 або 5,7 градуса за Цельсієм, а не 4,4 градуса.
Ця невизначеність у прогнозуванні того, як зміниться температура в результаті конкретних змін у викидах парникових газів, по суті, пов’язана з тим, що вчені ще не повністю розуміють усі процеси, які відбуваються в атмосфері – взаємодію між різними газами та аерозолями в ній. . Їх створення є метою проекту CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), міжнародної співпраці між дослідниками атмосфери в Центрі ядерних досліджень CERN у Женеві. PSI допоміг побудувати камеру CLOUD і є членом керівного комітету проекту.
Таємниця утворення хмар
Особливо шлях, яким буде розвиватися хмарний покрив у майбутньому, на цей час залишається в основному туманним. Однак це ключовий фактор у прогнозуванні клімату, оскільки більше хмар відбиває більше сонячного випромінювання, таким чином охолоджуючи поверхню землі.
Щоб утворити краплі, з яких утворюються хмари, водяній парі потрібні ядра конденсації, тверді або рідкі частинки, на яких вона конденсується. Вони забезпечуються різноманітними аерозолями, крихітними твердими або рідкими частинками діаметром від 0,1 до 10 мікрометрів, які виробляються та викидаються в повітря як природою, так і діяльністю людини. Ці частинки можуть включати, наприклад, сіль з моря, пісок з пустелі, забруднювачі промисловості та транспорту або частинки сажі від пожеж.
Однак приблизно половина ядер конденсації насправді утворюється в повітрі, коли різні молекули газу об’єднуються і перетворюються на тверді речовини, явище, яке експерти називають «нуклеацією» або «утворенням нових частинок» (NPF). По-перше, такі частинки крихітні, ледь перевищують кілька нанометрів, але з часом вони можуть рости через конденсацію молекул газу, а потім служити ядрами конденсації.
Парникові гази, які можна відчути
Основним антропогенним газом, який сприяє утворенню частинок, є діоксид сірки у формі сірчаної кислоти, в основному від спалювання вугілля та нафти. Найбільш важливими природними газами є так звані ізопрени, монотерпени та сесквітерпени. Це вуглеводні, які в основному виділяються рослинністю. Вони є ключовими компонентами ефірних олій, які ми відчуваємо, коли, наприклад, косимо траву або йдемо на прогулянку в ліс. Коли ці речовини окислюються, тобто реагують з озоном, у повітрі вони утворюють аерозолі.
«Слід зазначити, що концентрація діоксиду сірки в повітрі значно знизилася за останні роки через суворіше екологічне законодавство, і вона буде продовжувати знижуватися», – каже Лубна Дада, атмосферолог з PSI.
«Концентрація терпенів, з іншого боку, зростає, оскільки рослини виділяють їх більше, коли вони відчувають стрес, наприклад, коли відбувається підвищення температури та екстремальні погодні умови, а рослинність частіше піддається посусі».
Отже, велике питання для покращення кліматичних прогнозів полягає в тому, який із факторів переважатиме, що призведе до збільшення чи зменшення утворення хмар. Щоб відповісти на це питання, потрібно знати, як кожна з цих речовин сприяє утворенню нових частинок. Про сірчану кислоту вже багато відомо, і роль монотерпенів та ізопрену тепер також краще зрозуміла завдяки вимірюванням у польових і камерних експериментах, таких як CLOUD, у яких брав участь PSI.
Сесквітерпени зустрічаються рідко, але ефективні
До цього часу сесквітерпени не були предметом досліджень. «Це тому, що їх досить важко виміряти», — пояснює Дада. «По-перше, тому що вони дуже швидко реагують з озоном, а по-друге, тому що вони зустрічаються набагато рідше, ніж інші речовини».
Щороку вивільняється близько 465 мільйонів метричних тонн ізопрену та 91 мільйон метричних тонн монотерпенів, тоді як сесквітерпени становлять лише 24 мільйони метричних тонн. Тим не менш, нове дослідження, провідним автором якого є Дада, показало, що ці сполуки відіграють важливу роль у формуванні хмар. Згідно з вимірюваннями, вони утворюють у десять разів більше частинок, ніж дві інші органічні речовини при однаковій концентрації.
Щоб визначити це, Дада та її співавтори використовували унікальну камеру CLOUD в Європейській організації ядерних досліджень CERN. Камера — це закрите приміщення, в якому можна імітувати різні атмосферні умови. «Маючи майже 30 кубічних метрів, ця кліматична камера є найчистішою у своєму роді в усьому світі», — каже Дада. «Настільки чистий, що дозволяє нам вивчати сесквітерпени навіть при низьких концентраціях, зареєстрованих в атмосфері».
Саме це було метою дослідження. Він був розроблений для імітації утворення біогенних частинок в атмосфері. Зокрема, дослідників цікавило вивчення доіндустріальних часів, коли не було антропогенних викидів діоксиду сірки. Це дозволяє більш чітко визначити та спроектувати ефект людської діяльності в майбутньому. Проте антропогенний діоксид сірки вже давно став повсюдним у природі. Це ще одна причина, чому тільки камера CLOUD була життєздатною. Це також дозволяє виробляти допромислову суміш у контрольованих умовах.
Стійкі частинки призводять до збільшення хмар
Експерименти показали, що в результаті окислення природної суміші ізопрену, монотерпенів і сесквітерпенів у чистому повітрі утворюється велика різноманітність органічних сполук – так званих ULVOC (органічні сполуки з ультранизькою летючістю). Як випливає з назви, вони не дуже леткі, тому дуже ефективно утворюють частинки, які з часом можуть рости, перетворюючись на ядра конденсації.
Величезний ефект сесквітерпенів був виявлений, коли дослідники додали сесквітерпени в камеру з суспензією лише ізопренів і монотерпенів. Навіть додавання лише двох відсотків подвоює швидкість утворення нових частинок. «Це можна пояснити тим фактом, що молекула сесквітерпену складається з 15 атомів вуглецю, тоді як монотерпени складаються лише з десяти, а ізопрени лише з п’яти», — говорить Дада.
З одного боку, дослідження показує інший спосіб, за допомогою якого рослинність може впливати на погоду та клімат. Однак перш за все, результати дослідження свідчать про те, що сесквітерпени слід включити як окремий фактор у майбутні кліматичні моделі поряд із ізопренами та монотерпенами, щоб зробити їх прогнози точнішими.
Це особливо вірно у світлі зниження концентрації діоксиду сірки в атмосфері та одночасного збільшення біогенних викидів у результаті кліматичного стресу, що означає, що останній, ймовірно, ставатиме все більш важливим для нашого майбутнього клімату. Однак для подальшого вдосконалення прогнозів утворення хмар необхідні й інші дослідження. У Лабораторії хімії атмосфери їх уже планують.
«Далі, — говорить Імад Ель Хаддад, керівник групи молекулярних процесів в атмосфері, — ми та наші партнери з CLOUD хочемо дослідити, що саме сталося під час індустріалізації, коли природна атмосфера все більше змішувалася з антропогенними газами, такими як діоксид сірки, аміак та інші антропогенні гази. органічні сполуки». Джерело