Skąd się biorą chmury? Zaskakującą rolę odgrywają... drzewa

Procesy, które zachodzą w ziemskiej atmosferze są niezwykle złożone. Ten poziom komplikacji sprawia, że wszelkie prognozy czy modele atmosferyczne zawsze obarczone są pewną dozą niepewności. Najnowszy eksperyment, przeprowadzony przez fizyków z międzynarodowego ośrodka badawczego CERN w Genewie, daje jednak nadzieję na znaczne udoskonalenie naszych modeli synoptycznych. 

Naukowcy bardzo dokładnie zbadali bowiem, jak przebiega jeden z kluczowych dla klimatu i pogody procesów: formowanie chmur. Okazuje się, że kluczową i niedocenianą dotąd rolę odgrywają w nim drzewa. 

Według najnowszych prognoz Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) do 2100 r. globalny klimat będzie od 1,5 do 4,4 stopnia Celsjusza cieplejszy w porównaniu z poziomem przedindustrialnym. Wartość ta opiera się na różnych scenariuszach opisujących rozwój antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych w przyszłości. 

W najlepszym przypadku, jeśli uda nam się szybko i radykalnie ograniczyć emisje, będziemy w stanie osiągnąć cel 1,5 stopnia określony w porozumieniu paryskim. W najgorszym przypadku temperatury poszybują znacznie wyżej. Jednak takie prognozy są obarczone pewną niepewnością. Na przykład w najgorszym przypadku, przy dalszym gwałtownym wzroście emisji, wzrost temperatury mógłby wynieść zaledwie 3,3 lub nawet 5,7 stopnia Celsjusza.

Te niepewności w przewidywaniu, jak zmienią się temperatury w wyniku konkretnego scenariusza emisji gazów cieplarnianych, wynikają z faktu, że naukowcy nie rozumieją jeszcze w pełni wszystkich procesów zachodzących w atmosferze. Ich odtworzenie jest celem międzynarodowego projektu CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets).

Szczególnie wiele znaków zapytania dotyczy tego, jak w przyszłości, w obliczu zmian klimatu, będzie zmieniać się zachmurzenie naszej planety. To kluczowy czynnik w modelowaniu klimatu, bo więcej chmur odbija więcej promieniowania słonecznego, chłodząc w ten sposób powierzchnię Ziemi.

Podstawy tego procesu znamy. Aby utworzyć kropelki tworzące chmury, para wodna potrzebuje jąder kondensacji, czyli cząstek stałych lub ciekłych, na których może się skroplić. Stanowi je szeroka gama aerozoli, drobnych cząstek stałych lub ciekłych o średnicy od 0,1 do 10 mikrometrów, które są wytwarzane i uwalniane do powietrza zarówno przez naturę, jak i przez działalność człowieka. Są wśród nich sól morska, piasek z pustyni, zanieczyszczenia pochodzące z przemysłu i ruchu drogowego lub cząstki sadzy z pożarów. 

Głównym gazem antropogenicznym, który przyczynia się do powstawania cząstek, jest dwutlenek siarki w postaci kwasu siarkowego, powstający głównie ze spalania węgla i ropy. Istnieją jednak także produkowane przez naturalne procesy gazy, które tworzą jądra kondensacji. Najważniejszymi są tak zwane izopreny, monoterpeny i seskwiterpeny. Są to węglowodory uwalniane głównie przez roślinność. Są kluczowymi składnikami olejków eterycznych, które czujemy, gdy na przykład kosimy trawę lub idziemy na spacer do lasu. Substancje te, utleniając się w powietrzu, tworzą aerozole.

"W ostatnich latach stężenie dwutlenku siarki w powietrzu znacznie spadło ze względu na zaostrzenie przepisów dotyczących ochrony środowiska i będzie nadal spadać" - mówi Lubna Dada, badaczka atmosfery w Instytucie Paula Scherera (PSI) w Szwajcarii. "Z drugiej strony stężenie węglowodorów emitowanych przez rośliny wzrasta, ponieważ uwalniają ich więcej, gdy doświadczają stresu - na przykład podczas wzrostu temperatur i ekstremalnych warunków pogodowych". 

Najważniejszym pytaniem związanym z poprawą prognoz klimatycznych jest zatem to, który z czynników będzie dominował, prowadząc do zwiększenia lub zmniejszenia tempa tworzenia się chmur. Aby odpowiedzieć na to pytanie, należałoby wiedzieć, w jaki sposób każda z tych substancji przyczynia się do powstawania nowych cząstek. Rola kwasu siarkowego jest już dobrze poznana. Seskwiterpeny nie były jednak dotąd przedmiotem badań. 

"Badanie ich jest trudne" - tłumaczy Dada. "Po pierwsze dlatego, że bardzo szybko reagują z ozonem, a po drugie dlatego, że występują znacznie rzadziej niż inne substancje". Co roku do atmosfery trafia około 465 milionów ton izoprenu i 91 milionów ton monoterpenów. Dla porównania, globalne emisje seskwiterpenów to zaledwie 24 mln ton. Niemniej jednak nowe badanie wykazało, że związki te odgrywają ważną rolę w tworzeniu się chmur. Według pomiarów tworzą one dziesięć razy więcej cząstek niż pozostałe dwie substancje organiczne w tym samym stężeniu.

Dada i jej współautorzy wykorzystali unikalną komorę CLOUD w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN. Komora jest szczelnym pomieszczeniem, w którym można symulować różne warunki atmosferyczne. "Ta komora klimatyczna o pojemności prawie 30 metrów sześciennych jest najczystszą tego typu komorą na świecie" - mówi Dada. "Jest tak czysta, że pozwala nam badać seskwiterpeny nawet przy niskich stężeniach rejestrowanych w atmosferze".

Dzięki komorze badacze byli w stanie odtworzyć skład atmosfery z czasów przedindustrialnych, kiedy w atmosferze nie znajdowały się wielkie ilości dwutlenku siarki, emitowanego przez ludzkość. 

Eksperymenty wykazały, że utlenianie naturalnej mieszaniny izoprenu, monoterpenów i seskwiterpenów w czystym powietrzu powoduje powstanie szerokiej gamy związków organicznych - tak zwanych ULVOC (związki organiczne o ultraniskiej lotności). Jak sama nazwa wskazuje, nie są one bardzo lotne i dlatego bardzo efektywnie tworzą cząstki, które z czasem mogą rosnąć, stając się jądrami kondensacji. 

Szybko okazało się, że to właśnie seskwiterpeny odgrywają w tym procesie kluczową rolę. Dodanie zaledwie 2 proc. tych związków do mieszaniny podwoiło tempo tworzenia się nowych cząstek. "Można to wytłumaczyć faktem, że cząsteczka seskwiterpenu składa się z 15 atomów węgla, podczas gdy monoterpeny składają się z tylko dziesięciu, a izopreny tylko z pięciu" - mówi Dada.

Z jednej strony badanie ujawnia inny sposób, w jaki roślinność może wpływać na pogodę i klimat. Przede wszystkim jednak wyniki badań sugerują, że seskwiterpeny powinny zostać uwzględnione w przyszłych modelach klimatycznych, aby ich przewidywania były dokładniejsze. Jest to szczególnie prawdziwe w świetle spadku stężenia dwutlenku siarki w atmosferze i jednoczesnego wzrostu emisji gazów biogennych w wyniku stresu klimatycznego.