Открытие о деревьях вносит путаницу в расчеты климата
Деревья образуют облака, выделяя небольшие количества паров, называемых "сесквитерпенами". Ученые узнают больше - и это делает климатические модели неясными.
#Деревья #Климат #Исследование #Аэрозоли #Облака #Биогенные_летучие_вещества #Ученые #Глобальное_потепление #Растения #Климатические_модели
КАЖДЫЙ ГОД МЕЖДУ сентябрём и декабрём Лубна Дада создаёт облака. Дада, атмосферный учёный, собирается вместе с десятками коллег для проведения экспериментов в нержавеющей стальной камере объёмом 7000 галлонов в ЦЕРНе в Швейцарии. «Это похоже на научный лагерь», - говорит Дада, которая изучает, как естественные выбросы реагируют с озоном, образуя аэрозоли, влияющие на климат.
Облака являются самым большим источником [неопределённости](https://www.wired.com/story/as-the-world-warms-clouds-could-disappear-catastrophically/#:~:text=Исследователи установили%2C что сильные вихри,облака.) в прогнозах климата. В зависимости от местоположения, облачность может отражать солнечный свет от земли и океана, который иначе поглотил бы его - редкое преимущество в теплеющем мире. Но облака также могут *задерживать* тепло над арктическим и антарктическим льдом. Учёные хотят узнать больше о том, что вызывает образование облаков и является ли это охлаждающим или нагревающим эффектом. И, прежде всего, говорит Дада, «мы хотим знать, как мы, люди, изменили облака».
В небе аэрозольные частицы притягивают водяной пар или лёд. Когда маленькие влажные комки достаточно увеличиваются, они становятся семенами облаков. Половина облачного покрова Земли образуется вокруг таких вещей, как песок, соль, сажа, дым и пыль. Другая половина образуется вокруг испарений, выделяемых живыми организмами или машинами, такими как диоксид серы, возникающий при сжигании ископаемого топлива.
В ЦЕРНе учёные воссоздают этот процесс, вводя пары, которые представляют определённые среды, в нержавеющую стальную камеру. (Её называют CLOUD-камерой, от Cosmics Leaving Outdoor Droplets.) Например, они могут имитировать газы, содержащиеся над городами. Но Дада, которая обычно работает в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии, поехала в ЦЕРН, чтобы заглянуть в прошлое. Её команда учёных со всего мира хотела воссоздать атмосферу над лесами, потому что «нетронутая» атмосфера намекает на то, каким было образование облаков до индустриализации. «Нам нужно это сравнение с тем временем, когда не было выбросов от людей», - говорит она, «чтобы мы могли улучшить наши климатические модели».
В статье, опубликованной в этом месяце в Science Advances, команда Дады устанавливает новый ключевой фактор в образовании облаков: определённый вид химических веществ, выделяемый деревьями. Деревья выделяют естественные летучие вещества, такие как изопрен и монотерпены, которые могут вызывать химические реакции, приводящие к образованию облаков. Новая работа Дады сосредоточена на малоизученном классе менее распространённых летучих веществ, называемых сесквитерпенами, которые пахнут древесно, землисто, цитрусовым или пряностями, в зависимости от молекулы и типа растения или микроорганизма, который их выделяет.
Команда показывает, что сесквитерпены эффективнее, чем ожидалось, для формирования облаков. Всего лишь 1-к-50 соотношение сесквитерпена к другим летучим веществам удваивает образование облаков.
Роль деревьев в формировании облаков важна, потому что это указывает на то, каким может быть небо над некоторыми регионами, если правительства смогут сократить выбросы серы. В мире с меньшим загрязнением растения и деревья станут более важными факторами в образовании облаков, отголоском премодерного мира.
Это исследование может помочь уточнить представление о том, какой была атмосфера до индустриализации. Возможно, мы недооценивали количество аэрозольных частиц в мире, упуская из виду большую часть тех, которые исходят от деревьев. Если это так, то климатическим моделям понадобится корректировка.
"Новое образование частиц - довольно горячая тема в настоящее время", говорит Пакита Зуйдема, атмосферный ученый из Университета Майами, который не был частью исследования. "Мы все больше понимаем, что на самом деле не знаем, каким является идеальная атмосфера".
В густонаселенных районах антропогенные выбросы доминируют в области образования облаков, в то время как растительные летучие вещества доминируют на более чистой местности. Лабораторные инструменты только недавно стали достаточно чувствительными, чтобы понять, какие из них вносят наибольший вклад.
Многие открытия о сесквитерпенах относительно новы. В 2010 году исследователи обнаружили их у подножия амазонского леса. В кроне деревьев сесквитерпены было сложнее отследить. Это подтверждало, что озон превращает сесквитерпены в аэрозоли, способные образовывать облака. В прошлом году Дада сообщила о подобной системе в финских лесах и торфяниках. "Мы видим все больше и больше, потому что наши инструменты сейчас намного лучше", - говорит она. "Они находятся не только в Амазонии".
Когда Дада и ее коллеги начали новое исследование, они намеревались проверить способность сесквитерпенов создавать облака, имитируя воздух в лесу, не испорченном антропогенными выбросами. Они начали с базового уровня - измерили, что происходит после ионизации атмосферной смеси наиболее распространенных "биогенных" летучих веществ: изопрена и α-пинена, монотерпена. Эта комбинация порождала облака, как и ожидалось. Затем команда сделала то же самое, добавив сесквитерпен под названием β-кариофиллен. Он происходит от сосен и цитрусовых деревьев и пахнет треснувшим перцем.
Дада предположила, что β-кариофиллен должен реагировать химически, образуя аэрозоли и, в конечном итоге, облако. Она и ее команда стояли в комнате контроля, наблюдая за 15 экранами, на которых отображались данные в реальном времени, такие как размеры и концентрация аэрозолей. Они узнали, что она была права, если график размеров частиц на одном из экранов изменил цвет. Он станет больше и изменит цвет с синего на бананово-желтый, поскольку количество облакообразующих семян становится больше.
На первом запуске график стал желтым. Дада была права. ("Мы все кричали 'Банан! Банан! Банан!'", - вспоминает она). Добавление всего 2 процентов по объему β-кариофиллена к смеси удвоило образование облаков и вызвало более быстрый рост частиц. Это был первый эксперимент, демонстрирующий, как сесквитерпены образуют облака. Дада говорит, что это показало, что, несмотря на то, что это только частица соединений, которые выделяют деревья, "вклад огромен".
"Небольшое количество добавленных сесквитерпенов оказывает очень большое воздействие", - говорит Дживен Фан, атмосферный ученый из Национальной лаборатории Аргонн, не участвовавший в исследовании. Даже когда сесквитерпены создают "ультратонкие" аэрозоли, они по-прежнему могут образовывать облака и влиять на погоду. В 2018 году Фан показал, что когда огромные дождевые облака "поглощают" ультратонкие аэрозоли, они образуют новые капли, которые оживляют грозы.
Для Фана новые данные указывают на то, что сесквитерпены могут помочь лучше учесть глобальное движение аэрозолей. Аэрозоли заставляют облака отражать больше тепла от Земли - это эффект, известный как "радиационное вынуждение". (Именно это лежит в основе планов по геоинженерии атмосферы с помощью аэрозолей: искусственное облакообразование, которое может охлаждать поверхность). Больше аэрозолей означает более отражательные облака, которые выглядят белее, дольше держатся и дождят меньше.
Но ученым трудно моделировать, сколько аэрозолей должно учитываться в моделях. "Это долгосрочная проблема", - говорит Фан. "Множество климатических моделей переоценивают антропогенное воздействие аэрозолей". Возможно, это связано с тем, что они недооценивают распространенность природных аэрозолей - от микробов, растений и деревьев - до промышленной революции. "Возможно, то, что мы используем в качестве опорной точки, на самом деле не такое низкое по содержанию аэрозолей, как мы думали", - соглашается Зайдема.
Оценивая, как деревья образуют облака, ученые смогут лучше предсказывать будущий и прошлый климат. Промышленные выбросы снижают некоторое потепление за счет радиационного воздействия, поскольку серный аэрозоль может создавать отражающие облака. Но если биогенные аэрозоли были более обильны, чем ожидалось * до * индустриализации, то вклады от промышленности имеют меньшее значение.
Трудно предсказать, что эта переоценка расскажет нам о глобальном потеплении, поскольку в динамичном климате есть много движущихся частей. Например, тепловой стресс, экстремальные погодные условия и засухи заставляют растения выделять больше биогенных летучих веществ, которые засевают облака. Вырубка лесов и тепловой стресс заставляют перемещаться границы лесов на большие высоты и широты. Это влияет на то, где образуются облака.
"Это обратная связь", - говорит Дада. "Климат влияет на формирование облаков, а облака влияют на климат".
Лучшие климатические модели помогут ученым предсказывать лучшие меры смягчения: "Если нам нужно больше облаков, если нам нужно меньше облаков", - говорит Дада. Однако проблема в том, что климатические модели требуют огромных вычислительных мощностей. Включение физики такого маленького явления, как эти древесные аэрозоли, может быть непростым.
Дада вернется в CERN в этом осеннем семестре для дополнительных испытаний. Ее команда теперь хочет увидеть, как антропогенные выбросы, такие как диоксид серы, влияют на способность растений засевать облака. Они могут замедлять друг друга или ускорять. Их целью является распространение своих выводов на регионы, которые не такие чистые, как лес, где существует множество взаимосвязанных выбросов. "Мы пытаемся добавить антропогенные факторы, чтобы иметь более реалистичное представление практически о всем мире", - говорит она.