«Апостериори»: Учёные обнаружили новый механизм, который может влиять на образование облаков в Арктике

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Исследователи проследили, как соединения йода, серы и органические вещества, выделяемые океаном и морским льдом, приводят к образованию аэрозольных частиц. Такие частицы могут становиться ядрами конденсации – своеобразными центрами, вокруг которых в атмосфере образуются капли воды и формируются облака. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Аэрозольные частицы играют важную роль в климатической системе Земли. Они могут отражать или поглощать солнечное излучение и влияют на свойства облаков. Для образования облачных капель одного только водяного пара обычно недостаточно. Вода конденсируется на находящихся в воздухе микроскопических частицах – ядрах конденсации облаков. Поэтому изменение количества таких частиц может влиять на размеры и количество капель в облаках, а следовательно – на их отражательную способность и время существования.

Особенно большое значение этот процесс имеет в Арктике, где атмосфера относительно чистая и количество аэрозольных частиц невелико. При этом существующие климатические модели пока не всегда хорошо воспроизводят наблюдаемое количество арктических аэрозолей и ядер конденсации. Одна из причин заключается в том, что механизмы образования новых частиц в этом регионе изучены недостаточно.

Авторы новой работы использовали данные экспедиции 2022 года. С мая по июнь исследовательское судно RRS Discovery двигалось от юго-восточной части Гренландии к её западному побережью и далее в пролив Дэвиса. Учёные измеряли концентрации аэрозольных частиц и различных газов в атмосфере, в том числе серной, йодной и йодистой кислот, а также органических соединений.

Оказалось, что образование новых частиц начинается благодаря совместному действию соединений серы и йода. Ранее считалось, что серная кислота и йодсодержащие кислоты могут формировать аэрозольные частицы преимущественно независимо друг от друга. Однако эксперименты в камере CLOUD в ЦЕРНе показали, что йодная и йодистая кислоты могут взаимодействовать с серной кислотой, значительно ускоряя образование молекулярных кластеров. В некоторых экспериментах, в зависимости от условий,  добавление соединений йода увеличивало скорость образования аэрозольных частиц в десятки, тысячи и даже десятки тысяч раз. До сих пор, однако, было неясно, насколько этот механизм важен в атмосфере.

Во время экспедиции исследователи обнаружили кластеры, одновременно содержащие соединения серы и йода, практически во всех наблюдавшихся случаях образования новых частиц. Полученные значения скорости их формирования также лучше всего соответствовали именно модели совместного действия этих веществ. Таким образом, исследование впервые подтвердило в естественных атмосферных условиях механизм, ранее обнаруженный в лаборатории.

Однако первоначально возникающие частицы имеют размер всего несколько нанометров. Чтобы стать эффективными ядрами конденсации, им необходимо вырасти. И здесь, как выяснили исследователи, главную роль играют уже органические вещества.

Учёные обнаружили 591 кислородсодержащую органическую молекулу. Кроме того, они выявили 91 ранее не наблюдавшееся йодсодержащее органическое соединение. Конденсируясь на поверхности наночастиц, эти вещества обеспечивали большую часть их дальнейшего роста. В отдельных случаях частицы увеличивались до размеров более 20 нанометров всего за несколько часов.

Особенно хорошо этот процесс удалось проследить 7 и 8 июня. Воздушные массы в течение длительного времени двигались вдоль границы морского льда, где наблюдались высокие концентрации летучих органических соединений. Сначала образовавшиеся частицы выросли примерно до 30 нанометров, а на следующий день – примерно до 100 нанометров. Одновременно концентрация ядер конденсации увеличилась в десятки раз.

По мнению авторов работы, особенно важным источником веществ, участвующих в этом процессе, может быть зона на границе открытого океана и морского льда. Здесь соединения серы выделяются в том числе благодаря биологической активности, а соединения йода могут поступать из воды, льда и снега.

Это может оказаться особенно важным на фоне продолжающегося потепления Арктики. Таяние льда, увеличение биологической продуктивности океана и изменение площади пограничной ледовой зоны могут привести к росту выбросов соединений йода, серы и органических веществ.

При этом остаётся неясным, как именно увеличение числа аэрозольных частиц может повлиять на климат. Над хорошо отражающими снегом и морским льдом изменение облачности потенциально может способствовать потеплению поверхности, а над тёмной поверхностью открытого океана – наоборот, охлаждению. Поэтому следующий шаг – определить масштаб этого механизма и научиться учитывать сложное взаимодействие соединений йода, серы и органических веществ в климатических моделях.