Pochopení toho, jak drobné částice emitované automobily a továrnami ovlivňují klima Země, vyžaduje přesné modelování klimatu a schopnost kvantifikovat účinky těchto znečišťujících částic vs. částice přirozeně se vyskytující v atmosféře. Jedna velká nejistota je, jaká byla Země před začátkem těchto emisí průmyslové éry. V článku právě publikovaném v Nature vědci spolupracující na studii GoAmazon popisují, jak sledovali částice v převážně nedotčené atmosféře nad amazonským deštným pralesem, což jim poskytlo způsob, jak efektivně vrátit čas o několik set let zpět.
Vědci, částečně sponzorovaní zařízením pro měření klimatu (ARM) amerického ministerstva energetiky (DOE) pro měření klimatu a výzkumným programem atmosférického systému DOE, shromáždili a analyzovali data v Amazonii v letech 2014-15. Skenováním oblohy v různých nadmořských výškách a měřením změn v populaci částic v průběhu času vědci zjistili zdroj malých částic, které spouštějí tvorbu mraků v „předindustriálních“podmínkách.
Analýza popsaná v Nature, vedená vědci z Brookhaven National Laboratory DOE, odhaluje, že na obloze nad Amazonkou je velké množství malých aerosolových částic, které se přirozeně tvoří v horních vrstvách atmosféry, přenášeno do spodní atmosféry., známý jako "mezní vrstva", rychlými sestupnými proudy spojenými se srážkami. Poté v mezní vrstvě, kde těkavé organické sloučeniny emitované stromy reagují s oxidanty, oxidační produkty kondenzují na těchto malých částicích a přimějí je růst do „jader“, kolem kterých se tvoří mraky.
„Na mnoha jiných místech víme, že tyto částice tvořící mraky pocházejí přímo z emisí z automobilů a továren, nebo se tvoří, když molekuly průmyslových plynů kondenzují a vytvářejí nové částice,“řekl atmosférický chemik z Brookhaven Lab Jian Wang, jeden z nich. vedoucích studie. "Ale v Amazonii jsou čisté podmínky - žádná auta, žádné továrny - což znamená, že můžeme studovat toto nedotčené prostředí, abychom viděli, jaká byla Země před průmyslovou érou, abychom kvantifikovali, jaká je změna. Naše měření zlepší, jak tyto klíčové atmosférické procesy jsou zastoupeny v klimatických modelech."
Od částic po mraky
Většina mraků – ty, které vytvářejí stín a vysokou odrazivost a mají největší potenciální dopad na klima – tvoří blízko zemského povrchu. V Amazonii proces začíná částicemi o průměru asi 20 až 40 nanometrů. Na úrovni země tyto malé částice rostou kondenzací oxidovaných organických látek na velikost potřebnou k vytvoření mraků při jejich vzestupu v atmosféře, vysvětlil Wang.
„Studie ukazují, že v mezní vrstvě, nejnižší části atmosféry, nedochází k žádné tvorbě nových částic,“řekl Wang. "Navíc v Amazonii hodně prší a déšť smývá spoustu částic z mezní vrstvy."
Odkud se berou malé částice v hraniční vrstvě Amazonky při absenci průmyslových zdrojů a při všem dešti? Vědci z GoAmazon předpokládali, že částice mohou pocházet z vyšších poloh v atmosféře, kde nízké teploty usnadňují molekulám páry kondenzaci a tvorbu drobných částic. Ale jak se dostanou dolů na hraniční vrstvu?
Údaje za letu
Aby to vědci zjistili, měřili počty a velikosti částic v různých nadmořských výškách nad nedotčenou oblastí amazonského deštného pralesa pomocí výzkumného letadla DOE ARM Climate Research Facility provozovaného Pacifickou severozápadní národní laboratoří. Letoun byl vybaven zařízením pro odběr vzorků aerosolu a přístroji pro sledování klíčových meteorologických proměnných. Tyto nástroje zahrnovaly rychlý integrovaný spektrometr mobility navržený a vyrobený v Brookhavenu, který mohl rychle provádět měření aerosolu, což bylo vzhledem k rychlosti letadla naprosto nezbytné.
"Provedli jsme několik letů, počínaje v hraniční vrstvě do výšek 2 000 až 3 000 metrů, přičemž úroveň po úrovni jsme stoupali do ‚spodní volné troposféry‘- 5 až 6 kilometrů nad povrchem, " Wang řekl.
Přístroje naměřily vysokou koncentraci malých částic o průměru 20-40 nanometrů ve spodní volné troposféře. V nižších nadmořských výškách se distribuce velikosti obrátila s vyšší koncentrací větších částic o průměru nejméně 100 nanometrů nalezených blíže k Zemi.
Vědci také shromáždili data z pozemních přístrojů nastavených a spravovaných spolupracovníky z Německa a Brazílie a z měření cloudových radarů z mobilního zařízení ARM. Tato data jim umožnila sledovat, jak se částice na úrovni země změnily po dešti, a měřit, jak se vzduchové hmoty pohybují, když kolem bouře prochází.
Před bouří, řekl Wang, pozemní přístroje měřily mnoho velkých částic a několik malých. „Po dešti máme pravý opak: Velké částice byly ‚vypršeny‘– ale zároveň vidíme, že se na úrovni země objevilo mnoho malých částic, stejně jako ty, které G-1 naměřila v nižší volné troposféře.."
Tato pozorování byla podpořena odhady založenými na radarových datech o tom, kolik vzduchu (a kolik částic) by se mělo pohybovat z vrstvy do vrstvy v sestupných proudech spojených s deštěm. Další podrobné statistické analýzy potvrdily, že rychlé, sporadické sestupné proudy spojené se srážkami přenesly dostatečné množství malých částic z dolní volné troposféry do hraniční vrstvy, aby vytvořily novou populaci částic, která by nakonec po každé bouři vyvolala tvorbu nových mraků.
„To zní jako jednoduchý příběh, ale k těmto závěrům byste se nemohli dostat pouze jediným měřením,“řekl Wang."Potřebovali jsme, aby všichni spolupracovníci prováděli tato současná měření na všech těchto místech - ve vrstvách atmosféry, radaru a na zemi - aby to všechno dali dohromady."
Důsledky, dodal, mohou přesahovat tropy a týkat se mnoha kontinentálních míst před 200–300 lety, v předindustriální éře. "Dnes máme spoustu experimentů provádějících měření atmosféry. To je mnohem lépe pochopitelné ve srovnání s tím, co víme o tom, jak věci byly před 300 lety. Ale díky této studii máme nyní měření, která můžeme použít jako základ, který nám pomůže pochopit účinky industrializace."
Terénní kampaň GoAmazon vedla v USA Harvardská univerzita a v Brazílii konsorcium brazilských a německých výzkumných skupin. Na studii se podíleli i vědci z Finska a Švédska. ARM Climate Research Facility je uživatelské zařízení DOE Office of Science.
