Lepszy sposób opisu powstawania chmur w modelach atmosferycznych
Najobficiej występującym oparem w atmosferze jest para wodna, która w kontakcie z zimną powierzchnią zamienia się w kropelki wody. To samo zjawisko sprawia, że okulary parują, gdy przechodzimy z zimnego otoczenia do cieplejszego. Oprócz pary wodnej, w atmosferze znajdują się także cząsteczki aerozolu. To mikroskopijne drobiny zawieszone w powietrzu, które pochodzą z naturalnych źródeł, takich jak pył pustynny i aerozol morski, a także zanieczyszczenia trafiające do atmosfery w wyniku działalności człowieka, w tym emisje przemysłowe. „Małe cząsteczki aerozolu w atmosferze działają jak powierzchnia okularów”, wyjaśnia Ilona Riipinen z Uniwersytetu Sztokholmskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu INTEGRATE(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Każda kropla w atmosferze zaczęła się od cząsteczki”.
Od cząsteczek do badań nad klimatem
Cząsteczki aerozolu mają kluczowe znaczenie dla powstawania chmur. Zależność występująca między cząsteczkami aerozolu i parą wodną odgrywa kluczową rolę w określaniu wielkości chmur i poziomów opadów, a także budżetu energetycznego Ziemi - równowagi między promieniowaniem słonecznym i promieniowaniem naszej planety, zależnych od odbijania promieniowania słonecznego przez chmury. Projekt INTEGRATE, sfinansowany prze Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu pogłębienie podstawowej wiedzy na temat tych zależności, aby lepiej zrozumieć wpływ chmur i opadów na klimat i jakość powietrza. „Opisywane zależności obejmują złożone łańcuchy zdarzeń”, dodaje Riipinen. „Aby dokładnie oszacować zmiany temperatury lub wzorców opadów w modelu systemu ziemskiego, musimy być w stanie numerycznie opisać procesy nieliniowe, takie jak zmiany właściwości aerozolu i mikrofizyki chmur. To bardzo trudne zadanie”.
Bliższe spojrzenie na oddziaływania cząsteczek
Aby osiągnąć swoje cele, zespół projektu INTEGRATE połączył naukowców zajmujących się zjawiskami zachodzącymi na podstawowym poziomie molekularnym, w tym decydujących o kondensacji cząsteczki, z badaczami analizującymi zjawiska w innych skalach, na przykład oddziaływania las-atmosfera. Pomogło to umiejscowić przejścia fazowe na poziomie molekularnym w kontekście nauki o klimacie. „Jeśli chodzi o prace terenowe, zebraliśmy próbki powietrza z odległych regionów arktycznych, w których występuje niewiele cząstek stałych wytworzonych przez człowieka, a także z bardziej zanieczyszczonych regionów, takich jak dolina Padu w północnych Włoszech”, zauważa Riipinen. „Następnie użyliśmy różnych technik do pomiaru cząstek od poziomu molekularnego do kropli, które są większe o rzędy wielkości”. Zespół skupił się również na azotanach - grupie związków, które dotychczas nie były szczegółowo zbadane. Oczekuje się, że wraz ze spadkiem emisji siarczanów, azotany zyskają na znaczeniu jako źródło cząstek stałych wytwarzanych przez ludzkość. Zespół opracował nową wiedzę na temat interakcji różnych azotanów z wodą.
Zalecenia dla badaczy klimatu
Kluczowym sukcesem projektu było skłonienie badaczy do ponownego przemyślenia sposobu analizy roli cząstek stałych w procesie tworzenia się chmur. Riipinen sugeruje, że konwencjonalne myślenie o tym, że cząstki muszą mieć określony rozmiar, aby stać się zalążkami, proces ten należy rozpatrywać na zasadzie kontinuum. Wyniki projektu stanowią również podstawę zaleceń dla badaczy zajmujących się klimatem, które pomagają im wdrożyć te odkrycia w systemach ziemskich i modelach jakości powietrza. „Jeśli chcemy przewidywać zmiany wzorców opadów lub jakości powietrza, potrzebujemy lepszych opisów interakcji aerozoli z parą wodną i fizyki, która jest z tym związana”, mówi. „Opisy w modelach muszą opierać się na fundamentalnej wiedzy”. Riipinen uważa, że projekt uwidocznił potrzebę współpracy naukowców teoretycznych ze społecznościami nauk stosowanych, aby zapewnić, że ich praca jest zrozumiała i użyteczna w modelach predykcyjnych.
