Naukowcy odkryli nowy mechanizm powstawania cząstek w atmosferze ziemskiej, zachodzący, gdy powietrze stratosferyczne miesza się z powietrzem troposferycznym. To odkrycie podważa wcześniejsze teorie i może ulepszyć przyszłe modele klimatyczne.
Można myśleć o naszej atmosferze jako o wielkim zbiorze substancji chemicznych, o globalnym kłębie molekuł i cząstek gazowych, które nieustannie odbijają się od siebie i zmieniają wzajemnie w skomplikowany sposób. Chociaż cząstki są bardzo małe, często mniejsze niż 1% grubości ludzkiego włosa, mają one ogromne oddziaływanie. Na przykład cząstki są nasionami kropelek chmur, a obfitość cząstek zmienia współczynnik odbicia oraz ilość chmur, opadów i klimatu.
Teraz naukowcy z Washington University w St. Louis odkryli na niebie coś nowego – mechanizm wytwarzający dużą część cząstek w ziemskiej atmosferze.
Badania opublikowane w Naukaprowadził Jian Wang, profesor i dyrektor Centrum Nauki i Inżynierii Aerozoli w WashU. W skład zespołu badawczego wchodzą Lu Xu, adiunkt na Wydziale Energii, Inżynierii Środowiska i Chemicznej WashU w McKelvey School of Engineering oraz naukowcy z NASA, NIEAANCA i uniwersytety europejskie.
Poprzednie zrozumienie powstawania cząstek
Konwencjonalne myślenie było takie, że większość cząstek powstaje w obszarach wypływu chmur, gdzie chmury unoszą się w górnej troposferze i ostatecznie wyparowują. W tym procesie chmury ulegają wycięciu, a większość cząstek zostaje usunięta przez deszcz. W rezultacie powietrze w obszarach wypływu jest przejrzyste i czyste, a niektóre cząsteczki gazowe nie mają innego wyjścia, jak tylko utworzyć nowe cząstki.
„Jednak korzystając z danych zebranych z pomiarów samolotów prowadzonych na skalę globalną przez NASA, odkryliśmy, że większość nowych cząstek nie powstaje w obszarach wypływu, jak wcześniej sądzono” – powiedział Wang.
Zastanawiając się nad tą zaskakującą obserwacją, Wang i współpracownicy odkryli zupełnie inny mechanizm zachodzący, gdy mieszanie się powietrza stratosferycznego i troposferycznego powoduje powstanie warunków sprzyjających tworzeniu się cząstek.
Rola mieszania stratosfery i troposfery
„Powietrze stratosfery często opada do troposfery z powodu meandrującego strumienia strumieniowego. Mieszanka bogatego w ozon powietrza stratosferycznego i bardziej wilgotnego powietrza troposferycznego prowadzi do wysokiego stężenia rodnika hydroksylowego (OH), ważnego utleniacza, który pomaga wytwarzać cząsteczki, które zarodkują i tworzą nowe cząstki” – powiedział Jiaoshi Zhang, pierwszy autor badania i pracownik naukowy w laboratorium Wanga.
„Odkryliśmy, że zjawisko to jest szeroko rozpowszechnione na całym świecie i prawdopodobnie występuje częściej niż powstawanie cząstek w wypływie chmur” – dodał.
Konieczne będą przyszłe obserwacje terenowe i badania modelowe, aby potwierdzić i dokładniej określić ilościowo znaczenie tego nowo odkrytego mechanizmu powstawania cząstek. Oczywiście ludzie wnoszą własne cząsteczki w postaci zanieczyszczenia powietrza, ale Wang powiedział, że to, co odkryto w ramach tych badań, to naturalny proces zachodzący na całym świecie, nawet w odległych i dziewiczych regionach.
Istnieją również pewne dowody na to, że w przyszłym klimacie powietrze stratosferyczne będzie częściej opadać do troposfery, więc mechanizm ten może stać się jeszcze ważniejszy, powiedział Wang. Uwzględnienie tego nieznanego wcześniej procesu może ulepszyć modele klimatyczne i pomóc w lepszej symulacji zmian klimatycznych i przewidywaniu przyszłego klimatu.
„Chociaż na początku byliśmy zaskoczeni tą obserwacją, gdy połączyliśmy wszystko w jedną całość, później nie było to już tak zaskakujące” – powiedział Wang. „Powszechnie wiadomo, że cząsteczki tworzące nowe cząstki powstają w wyniku utleniania w atmosferze. Kiedy powietrze w stratosferze i troposferze miesza się, stężenie OH jest bardzo wysokie i jest przygotowane do tworzenia cząstek.
Odniesienie: „Intruzje powietrza w stratosferze sprzyjają tworzeniu się nowych cząstek na skalę globalną” Jiaoshi Zhang, Xianda Gong, Ewan Crosbie, Glenn Diskin, Karl Froyd, Samuel Hall, Agnieszka Kupc, Richard Moore, Jeff Peischl, Andrew Rollins, Joshua Schwarz, Michael Shook , Chelsea Thompson, Kirk Ullmann, Christina Williamson, Armin Wisthaler, Lu Xu, Luke Ziemba, Charles A. Brock i Jian Wang, 11 lipca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adn2961
JW, JZ i XG otrzymały wsparcie ze środków Wydziału Nauk Atmosferycznych i Geokosmicznych Narodowej Fundacji Naukowej (NSF) (grant nr AGS-2147747) oraz Programu Nauk o Promieniowaniu NASA (grant nr 80NSSC19K0618). KF, AK, JP, AR, JS, CT, CW i CB otrzymały wsparcie w ramach programu NASA Earth System Science Pathfinder Program (grant nr NNH15AB12I) oraz w ramach programu NOAA Health of the Atmospheric and Atmospheric Chemistry, Carbon Cycle and Climate (AC4) Programy. KF, JP, CT i CW również otrzymały częściowe wsparcie w ramach umów o współpracy z NOAA (grant nr NA17OAR4320101 i NA22OAR4320151). AK otrzymała wsparcie ze środków Austriackiego Funduszu Naukowego FWF Erwin Schrodinger Fellowship (grant nr J-3613). Prace te były również wspierane przez NASA w ramach nagród NNX15AJ23G, NNX15AH33A, NNH13ZDA001N, NNX15AT90G, NNX15AG71A, 80NSSC19K0124 i 80NSSC18K0630.
