EOS: Пыль — источник льда в небе
Новый анализ связывает пыль в пустыне с замерзанием облаков, что имеет важные последствия для моделей погоды и климата.
Пыль играет важную роль в образовании льда в атмосфере. Новый анализ спутниковых данных, опубликованный в журнале Science, показывает, что пыль может вызывать замерзание капель воды в облаках при более высоких температурах, чем в обычных условиях. Это открытие позволяет применить результаты лабораторных наблюдений к масштабам атмосферы и может помочь климатологам лучше моделировать будущие изменения климата.
В 1804 году французский учёный Жозеф Луи Гей-Люссак поднялся над Парижем на высоту около 7000 метров на водородном воздушном шаре без дополнительного кислорода, чтобы собрать пробы воздуха. Он отметил, что облака с большим количеством пылевых частиц, как правило, содержат больше замёрзших капель.
В XX веке учёные обнаружили, что чистая вода может оставаться жидкой даже при охлаждении до −34,5 °C. Но как только в атмосферу попадает даже крошечное количество материала, такого как пыль, она замерзает при гораздо более высоких температурах.
В 2012 году немецкие исследователи наконец смогли проверить это напрямую в эксперименте с камерой Вильсона. Они воссоздали условия облачности в лаборатории, добавили различные виды пустынной пыли и постепенно охлаждали камеру, чтобы наблюдать за температурами, при которых замерзали капли.
Для Диего Вильянуэвы (Diego Villanueva), изучающего атмосферу учёного из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария) и ведущего автора нового исследования, поразительно, что учёные обнаружили эти процессы в лаборатории, но никто не исследовал их так подробно в природе.
Сложности были очевидны. Чтобы наблюдать за зарождением кристалла льда, исследователям понадобились бы приборы на самолёте или воздушном шаре, чтобы поймать микрометровую каплю в облаке в нужный момент. «Это как кот Шрёдингера», — сказал Даниэль Кнопф (Daniel Knopf), учёный из Университета Стоуни-Брук, не принимавший участия в исследовании. «Либо это кристалл льда, либо это капля жидкости».
В новом исследовании Виллануэва и его коллеги проанализировали 35-летние спутниковые данные о верхних слоях облаков во внетропических зонах Северного полушария — регионе, охватывающем Средний Запад США, юг Канады, Западную Европу и северную Азию. Исследователи хотели выяснить, влияет ли пыль на то, будут ли верхние слои облаков жидкими или ледяными. Они сосредоточились на верхних слоях облаков, а не на облаках целиком, просто потому, что они видны на спутниковых снимках.
Пыль пустыни и холодные облака
Вильянуэва и его коллеги изучили два набора спутниковых данных за период с 1982 по 2016 гг., пытаясь выявить микроскопические детали верхней части облаков, такие как количество ледяных кристаллов или размер капель. Один набор данных отслеживал, были ли верхние слои облаков жидкими или ледяными, а другой одновременно измерял количество пыли в воздухе. Хотя группа изучала глобальные закономерности, они сосредоточились на северном внетропическом поясе, где распространены облака смешанной фазы и где циркулируют большие объёмы пыли из пустынь, таких как Сахара и Гоби.
Но «качество набора данных было настолько низким, что все полученные данные представляли собой, по сути, просто шум», — добавил Вильянуэва. В итоге исследователи сосредоточились на более простой детали: доле облаков со льдом в верхней части. «На это у меня ушло почти 3 года», — сказал Вильянуэва.
Анализ показал, что в регионах с большим количеством пыли больше облаков с ледяными вершинами. Этот эффект был наиболее выражен летом, когда пустынные ветры поднимают больше всего пыли.
Выявилась характерная закономерность: десятикратное увеличение количества пыли примерно удвоило вероятность замерзания верхних частей облаков. «Чтобы заморозки стали наблюдаться в четыре раза чаще, нужно в 100 раз больше пыли», — пояснил Вильянуэва.
Новая работа показала, что те же процессы, которые исследователи наблюдали в микромасштабах в лабораториях, происходят в атмосфере Земли в гораздо больших масштабах. Даже с учётом влажности и движения воздуха пыль оставалась ключевым фактором зарождения льда в большинстве случаев, хотя есть и исключения. В некоторых местах, например, над Сахарой, несмотря на присутствие пыли, облаков образуется мало, возможно, предполагают авторы, потому что движение больших объёмов горячего воздуха предотвращает замерзание.
«Я считаю исследование довольно элегантным», — сказал Кнопф. Он пояснил, что сбор спутниковых данных за 35 лет, выявление связи между уровнями пыли и скоростью образования замёрзших облаков на верхней границе, а затем демонстрация её идеального соответствия лабораторным экспериментам — это, по сути, «гвоздь в крышку гроба» доказательства роли пыли в зарождении льда. Теперь у учёных есть надёжные спутниковые данные о непосредственном влиянии пылевых аэрозолей на замерзание облаков, что соответствует предсказаниям лабораторных экспериментов.
Это открытие имеет значение для моделирования климата. Чтобы точнее предсказывать последствия изменения климата, модели должны учитывать пыль и то, как она влияет на замерзание облаков и формирование осадков. Облака с жидкими верхушками отражают больше солнечного света и охлаждают планету, в то время как облака с ледяными верхушками пропускают больше солнечного света и удерживают тепло.
Однако Кнопф отметил, что предстоит ещё многое сделать, чтобы точно понять, что новые наблюдения означают для понимания климата учёными. «Если вы хотите точно знать количество осадков или влияние [пыли] на климат, вам действительно нужно знать количество жидких капель или количество ледяных кристаллов», — сказал он.
Вильянуэва намерен продолжать изучать облака и аэрозоли. В ближайшие 10–20 лет поверхность Земли может стать суше из-за изменения климата, что, вероятно, приведёт к увеличению количества пылевых аэрозолей в атмосфере. Он добавил: «Я хочу знать, как облака отреагируют при таком сценарии».