Таяние арктического морского льда незаметно формирует собственные облака

Фото из открытых источников

Там, где арктический морской лед проламывается, образуя открытую воду, море и лед выделяют газы. Солнечный свет превращает эти газы в совершенно новые частицы в воздухе над ними. Некоторые из этих частиц вырастают до размеров, достаточных для образования капель в облаке. Вблизи кромки льда к западу от Гренландии их количество за два дня увеличилось примерно с 50 на кубический сантиметр воздуха до 1500. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Арктический воздух необычайно чистый. Летом почти никакая пыль или промышленная сажа не достигают этих северных широт, поэтому водяному пару там практически не на чем конденсироваться. 

Экспедицию возглавил Цзунбо Ши из Бирмингемского университета. Его команда совершила плавание на научно-исследовательском судне RRS Discovery из юго-восточной Гренландии в пролив Дэвиса. Новые частицы появились на 13-й день, что составляет 81% дней с интенсивным солнечным светом.

Этот процесс запускается двумя факторами. Водоросли и другие морские организмы выделяют сернистый газ, а солнечный свет превращает этот газ в серную кислоту. Морской лед, морская вода и побережье Гренландии выделяют соединения йода, которые под воздействием солнечного света превращаются в две йодсодержащие кислоты.

Ни одна из кислот сама по себе не была в достаточном количестве, чтобы объяснить то, что зафиксировали приборы. Но вместе они оказались достаточны. 

Группа исследователей обнаружила скопления, содержащие оба вида кислоты, и только в те дни, когда появлялись новые частицы. В предрассветные часы, до начала процесса, таких скоплений не наблюдалось. В камере CLOUD в ЦЕРНе исследователи уже создали частицы из тех же двух кислот в лабораторных условиях. До этого никому не удавалось наблюдать за работой этой пары в открытой атмосфере.

Более ранние исследования в Арктике указывали на образование частиц исключительно за счет йода над высокими арктическими ледовыми массивами или за счет серы вблизи Шпицбергена.

Свежая частица слишком мала, чтобы стать затравкой для чего-либо. Она должна достичь примерно 50 нанометров в поперечнике, прежде чем на ней сможет образоваться облачная капля, а даже частица размером 100 нанометров в несколько сотен раз тоньше человеческого волоса.

Кислоты, инициирующие образование частицы, оказались плохо приспособлены для её питания. Эту задачу выполнили сотни богатых кислородом органических молекул, поступающих из океана и с кромки льда. Мао Ду и его коллеги каталогизировали 591 из них.

Из них 91 содержала йод — класс веществ, ранее не обнаруживавшихся. Молекулы, содержащие йод, составляли примерно десятую часть от общего числа, и в разработанной командой модели на них приходилось от 7 до 23% роста. Частицы росли со скоростью от 1,5 до 3,6 нанометров в час, что является высокой скоростью для Арктики, и достигали 20 нанометров в течение нескольких часов в течение восьми из 13 дней.

Команда наблюдала за явлением два дня. Ветер нес воздух вдоль границы между льдом и открытым океаном до 24 часов, прежде чем достиг корабля. Большая часть этого воздуха оставалась ниже отметки 200 метров.

Концентрация органических газов достигла своего максимума за весь круиз. Озон разрушает масляную пленку на поверхности моря и образует альдегиды, концентрация которых достигла пика в 420 частей на триллион. В первый день частицы выросли примерно до 30 нанометров, а во второй — примерно до 100 нанометров. По мере увеличения размера они росли быстрее, достигая примерно 5 нанометров в час.

Под истончающимся льдом бушевало цветение водорослей. В воде под ними содержалось больше хлорофилла — зеленого пигмента, который водоросли используют для улавливания солнечного света, и эти же водоросли выделяют сернистый газ.

«Нас поразила как интенсивность процесса образования новых частиц, так и скорость их роста», — сказал Ши. «В такой чистой среде мы обычно не ожидаем достаточного количества конденсируемого вещества для поддержания столь быстрого роста».

Климатические модели не учитывают эту цепочку химических реакций. Отчасти поэтому им сложно воспроизвести результаты измерений концентрации частиц в Арктике. Команда Ши хочет, чтобы модели рассматривали пути переноса серы и йода как один процесс, а не как два отдельных.

Неясно, приведет ли это к потеплению или похолоданию в Арктике. Большее количество облачных капель над ярким снегом и морским льдом может удерживать тепло на поверхности, в то время как те же капли над темной открытой водой отражают солнечный свет.

Модель роста команды также объясняла лишь около половины измеренного роста, или чуть больше. Приборы плохо улавливают более липкие, медленно испаряющиеся пары, что, вероятно, является одной из причин. Источник этих частиц до сих пор не установлен.

Ожидается, что потепление расширит полосу частично замерзшей воды, где эта химическая реакция наиболее выражена, и сместит ее дальше на север. Арктические воды уже сейчас выделяют больше йода и серы, чем раньше. Никто не измерил, какое количество того или иного газа выделяет этот регион. Поэтому масштабы всего эффекта до сих пор остаются открытым вопросом.

«Остаются важные вопросы, в том числе, насколько широко распространены эти процессы в пространстве и времени, как вновь образовавшиеся частицы, вызывающие образование облаков, влияют на облака и климат, и как эти изменения, в свою очередь, могут оказывать обратное воздействие на океан и таяние морского льда», — сказал Ши. «Каждая из этих проблем представляет собой самостоятельную серьезную научную задачу».