Ученые исследовали процесс образования частиц в атмосфере, влияющих на климат
Источник более половины ядер конденсации облаков в атмосфере Земли, оказывающий влияние на их свойства и энергетический баланс планеты, установила международная команда исследователей, сообщает 20 октября журнал МФТИ «За науку».
Биогенные пары, вбрасываемые в атмосферу Земли, образуют в ней новые частицы NPF (New Particle Formation), которые оказывают влияние на глобальный климат. Процесс зарождения NPF в атмосфере из-за химических паров, исходящих от биосферы Земли, был рассмотрен международной группой ученых, экспериментально проверили, как на молекулярном уровне происходит образование таких частиц.
Это позволило выявить точную роль разных химических составляющих в этом процессе и учесть степень их влияния, чего ранее сделано не было. Результат исследования был представлен в статье «Роль сесквитерпенов в образовании новых биогенных частиц», опубликованной в журнале Science Advances.
Пограничный слой атмосферы получает сильные выбросы биогенных летучих органических соединений от растительности. Взаимодействие этих соединений с атмосферными окислителями вызывает быстрое образование кислородсодержащих паров с низкой летучестью. Достигающая пересыщения, небольшая часть этих паров стимулирует образование NPF.
Отдельные такие частицы вырастают до достаточно больших размеров, прямо или косвенно влияя на радиационный баланс атмосферы и становясь ядрами конденсации облаков.
Участник исследования, завлабораторией физики Солнца и космических лучей Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, д. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики МФТИ Владимир Махмутов рассказал о проделанной командой работе:
«Интереснейший проект CLOUD начался еще в 2009 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Женева, Швейцария). Одним из инициаторов этого международного проекта выступила наша российская группа. За прошедшие годы мы воплотили в жизнь большой ряд экспериментов, который дал ответ на многие вопросы нашего проекта».
Ученые впервые дали точные ответы, чем вызваны текущие активные атмосферные процессы, влияющие на глобальное изменение климата, какова роль химических веществ, поступающих в атмосферу от продуктов жизнедеятельности и каков вклад заряженных частиц ионов, образованных постоянным потоком космических лучей.
Биогенные выбросы органических веществ в пограничные слои атмосферы в основном являются изопреноидами, их тип определяется типом растительности. Из них высокоактивным типом являются сесквитерпены (С15Н24 и другие) из класса терпенов, которые выделяются соснами, цитрусовыми и рядом сельскохозяйственных растений.
Большим их источником выступают тропические леса, особенно Амазонки, которые, таким образом, потенциально увеличивают образование NPF.
Из монотерпенов, изопренов и сесквитерпенов в составе NPF наименее изученными являются сесквитерпены, хотя из-за их высокой молекулярной массы они играют потенциально важную роль.
В камере CLOUD был проведен ряд экспериментов при атмосферных условиях, доказавших активную роль именно сесквитерпенов в образовании паров со сверхнизкой летучестью, которые, в свою очередь, являются высокоэффективными образователями NPF и количественно определяют их эффективность.
Так, было установлено, что добавление всего 2% сесквитерпена увеличивает выход таких паров и удваивает скорость их образования. Это показывает, что выбросы сесквитерпенов нужно учитывать при оценке глобальных концентраций аэрозолей, в которых NPF, как предполагается, будут основным источником ядер конденсации облаков.
Объем выбросов сесквитерпенов деревьями и кустарниками возрастает от окислительного и термического стрессов. Кроме того, согласно недавнему исследованию, почвенные микроорганизмы выделяют сесквитерпены с той же скоростью, что и крона.
И хотя в глобальном масштабе выбросы сесквитерпенов (24 Тг С/год) значительно ниже выбросов монотерпенов (91 Тг С/год) и изопрена (465 Тг С/год), но они создают более высокий выход низколетучих продуктов окисления.
«Результаты экспериментов наглядно доказали высокую роль сесквитерпенов в образовании новых частиц, чего ранее практически не учитывали. Почему NPF так важны? Молекулы вновь образующихся частиц являются зародышами облаков, центров конденсации, и если они не испаряются в атмосфере, то в конечном итоге образуют систему облаков, которые влияют на радиационный баланс энергии, приходящей от Солнца к Земле, и наоборот. Таким образом можно оценить вклад антропогенной и биогенной деятельности в эти процессы, уже сейчас вызвавшие глобальное изменение климата», — подвел итог Владимир Махмутов.
Принимая во внимание увеличение выбросов сесквитерпенов, вызванное экологическим стрессом растений из-за продолжающегося глобального повышения температуры, учет вклада сесквитерпенов в образование NPF и роста облаков очень важен при построении глобальных климатических моделей.
