Małe drobinki pyłu o dużym wpływie na klimat
Cząstki nukleujące lód (ang. ice nucleating particle, INP), małe drobinki unoszącej się w powietrzu materii, mają kluczowe znaczenie w kontekście modelowania klimatu. Niewiele jednak wiadomo o tym, skąd się one biorą i jakie jest ich stężenie w atmosferze. „Na przestrzeni około 5 ubiegłych lat stało się jasne, że globalne modele klimatyczne lokują w chmurach o wiele za dużo lodu. Po skorygowaniu tej nieścisłości modele przewidują znacznie silniejsze ocieplenie”, mówi Benjamin Murray, koordynator projektu MarineIce wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Kwantyfikacja ilości lodu w chmurach ma więc absolutnie kluczowe znaczenie dla zmniejszenia niepewności w modelach klimatycznych”.
Ziarna zmian
INP są z reguły bardzo drobnymi obiektami, znacznie cieńszymi od ludzkiego włosa. Należą do nich pył glebowy, sadza, bakterie, aerozol morski, pyłki i inne. Po uniesieniu się w powietrze pomagają one w skraplaniu wilgoci w powietrzu, tworząc chmury. Kropelki budujące chmury mogą być bardzo zimne – o temperaturze sięgającej nawet -38 °C – a obecność INP w kolumnie powietrza stymuluje te przechłodzone kropelki do przekształcenia się w kryształki lodu. „Ta przemiana wody w lód ma kluczowe znaczenie dla klimatu”, wyjaśnia Murray. „Po zainicjowaniu przemiany zawieszonych w chmurze kropelek wody w kryształki lodu duża ilość małych kropelek wody zmienia się w zaledwie garstkę dużych kryształów lodu, które mogą spaść, wydostając się z atmosfery”. Do zmiany zachmurzonego nieba w zupełnie bezchmurne wystarczy niewielka ilość INP, zaledwie jedna nanocząstka na litr powietrza. W środowisku morskim skutkuje to usunięciem warstwy odbijającej chmur i odsłonieniem ciemniejszej powierzchni oceanu, co pozwala na pochłanianie ciepła słonecznego przez planetę i znaczną zmianę skutków klimatycznych. Proces ten jest szczególnie ważny w regionach podbiegunowych, od około 45 do 75 stopnia szerokości geograficznej. „Stężenie cząstek INP ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia fazy chmur i odbijania światła w środowiskach morskich”, dodaje Murray. „W ten sposób powstają masywne układy chmurowe występujące w stanie superchłodnym, które są podatne na działanie cząstek INP”.
Zliczanie kryształków
Aby móc lepiej oszacować liczbę INP w atmosferze, Murray i jego współpracownicy z Uniwersytetu w Leeds zaprojektowali i zbudowali komorę Portable Ice Nucleation Experiment, w skrócie PINE. Dziesięciolitrowy zbiornik wewnątrz tego urządzenia o wielkości lodówki zbiera powietrze z otoczenia i skrapla je w chmurę, zliczając liczbę kryształków lodu powstałych w wyniku tego procesu. Zespół opracował również urządzenie Lab On A Chip, Nucleation by Immersed Particle Instrument (LOC-NIPI), które wykorzystuje mikrofluidykę do szybkiego zliczania kryształków lodu w kroplach wody. „Jednym z tradycyjnych sposobów pomiaru liczby INP jest ręczne tworzenie kropli na zimnej podstawie; w godzinę można zaobserwować około 10 kropli”, mówi Murray. „Tym sposobem możemy z łatwością wygenerować 100 kropli na sekundę”. Urządzenia te, zainstalowane w laboratoriach naziemnych i powietrznych, przyczyniają się do szybkiego postępu naszej wiedzy o rozmieszczeniu cząstek INP. Podczas badań powietrznych prowadzonych w ramach projektu MarineIce odkryto jedno zaskakujące źródło tych cząstek. „Mieliśmy szczęście zaobserwować pióropusze pyłu wydobywające się z dolin lodowcowych na Islandii”, mówi. „Wykazaliśmy, że jest on rozdmuchiwany po całym regionie i w znacznym stopniu przyczynia się do powstawania INP na dużych szerokościach geograficznych”. W ramach dalszych badań w Arktyce zaobserwowaliśmy złożone i heterogeniczne rozmieszczenie INP, co tylko podkreśliło, jak mało wiadomo o tym zjawisku. Zespół skupia się obecnie na komercjalizacji komory PINE w ramach finansowanego przez UE projektu CountIce, co przyniesie klimatologom spore korzyści.
Słowa kluczowe
MarineIce, chmura, lód, INP, cząstka nukleująca, pył, sadza, pustynia, słup, bezchmurne, pogoda, klimat
