О формировании облаков известно достаточно, поэтому воспроизведение его механизма стало одним из основных элементов школьных научных проектов. Но новое исследование, проведенное учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab), показывает, что на микроскопическом уровне образования облаков происходит гораздо больше, чем считалось ранее..
Ученые установили, что органические молекулы эффективно подавляют поверхностное натяжение воды, что позволяет более эффективно формировать большие облачные капли.
«Общепринятое мнение гласит, что растворимость аэрозоля в воде является ключевым фактором в формировании облачных капель», - сказал старший автор исследования Кевин Уилсон, заместитель директора по науке в отделе химических наук лаборатории Беркли. «Чем легче частица растворяется в воде, тем легче формируется облачная капля. Мы обнаружили, что полагаться только на растворимость не всегда можно. Наше исследование показывает, что то, что аэрозоль делает на границе раздела с водой - это то, что важно для точного предсказания того, будет ли она образовывать облачные капли».
Выводы, которые будут опубликованы в номере журнала Science от 25 марта, могут повысить точность моделей изменения климата, которые предсказывают потенциальный охлаждающий эффект отражающих облаков на основе частиц в воздухе.
«Точное описание связи между химическим составом аэрозольных частиц и образованием облачных капель остается сложной задачей, и для моделей является ключевой проблемой правильное предсказание климата», - сказал Уилсон.
Уилсон работал с ведущим автором исследования Кристофером Рюэлем, который проводил исследование, когда был докторантом; и соавтор Джеймс Дэвис, нынешний научный сотрудник лаборатории Беркли.
Дьявол кроется в деталях
Современное понимание того, как формируются облачные капли, связано с водяным паром, который сталкивается с более холодным воздухом, часто на больших высотах и при более низком давлении. Затем пар конденсируется в маленькие капли воды или кристаллы льда, которые образуют облака.
Но настоящим катализатором в этом процессе является конденсация воды на аэрозольных частицах. Эти частицы, известные как ядра облачной конденсации, способствуют образованию облачных капель. Детали, связанные с этим микрофизическим процессом, остаются неясными, но среди многих ученых-атмосферников и метеорологов утвердилось убеждение, что основным фактором, влияющим на формирование облачных капель, была растворимость аэрозоля..
Эти микроскопические взаимодействия могут иметь макроскопические эффекты. Размер капель в облаке влияет на его яркость. Чем меньше и больше капель, тем больше света рассеивается. Отражение большего количества света приводит к охлаждению поверхности Земли.
Некоторые неорганические частицы, такие как морская соль, легко растворяются в воде, но атмосфера обычно представляет собой сложную смесь органических и неорганических аэрозолей. Источниками органических аэрозолей являются выбросы дизельного топлива и бензина, леса, лесные пожары и даже цветение водорослей в океане.
Чтобы учесть эту смесь частиц, исследователи из лаборатории Беркли провели эксперименты с использованием специально изготовленного оборудования для моделирования образования облачных капель. Они использовали дикарбоновые кислоты, разновидность органических соединений, и сульфат аммония, неорганическую соль. Они измерили размер капель, образовавшихся, когда частицы подверглись воздействию водяного пара в типичных условиях образования облаков.
«Мы обнаружили, что облачные капли были на 50-60 процентов больше, чем предсказывалось с использованием стандартных моделей, основанных на том, насколько легко частицы могут растворяться», - сказал Рюль, который сейчас работает инженером, изучающим выбросы транспортных средств в Калифорнийском авиационном агентстве. Совет по ресурсам. «Именно тогда мы поняли, что происходит что-то еще, поэтому мы создали новую модель."
Учитывая влияние понижения поверхностного натяжения, исследователи смогли правильно предсказать размер образующихся капель.
«Роль неорганических и органических аэрозолей в образовании облаков была весьма спорным вопросом, о котором спорили в течение многих лет», - сказал Уилсон. «Основываясь на выводах статьи, я бы сказал, что эти поверхностные взаимодействия играют центральную роль в формировании облачных капель и что их следует учитывать в моделях климата».