Jet stream Ziemi pomaga w tworzeniu zarodników chmur.

Naukowcy odkryli nowe źródło zarodków chmur. Kiedy stratosferyczna warstwa atmosfery Ziemi zanurza palec u nogi w leżącej pod nią troposferze, powstała mieszanka chemiczna staje się żyznym środowiskiem, w którym mogą tworzyć się maleńkie nowe cząsteczki, w tym mikroskopijne aerozole, wokół których chmury zaczynają się łączyć.

Dane zebrane przez cztery loty samolotów NASA w różnych regionach półkuli północnej w 2016 i 2017 roku potwierdziły, że ten mechanizm, zwany wtargnięciem powietrza stratosferycznego, jest nie tylko źródłem nowych cząsteczek, ale także może być najbardziej produktywnym miejscem dla tych cząsteczek na Ziemi, donosi Jiaoshi Zhang, naukowiec zajmujący się aerozolami na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis, i jego współpracownicy w czasopiśmie Science z 12 lipca.

Wcześniej naukowcy uważali, że większość nowych cząstek powstaje w regionach atmosfery, w których chmury unoszą się w górę do górnej troposfery i rozpraszają. Gdy chmury tam opadają, wszelkie istniejące cząsteczki są usuwane wraz z wodą deszczową. To, co pozostaje w tych regionach „wypływu chmur”, to czysta karta, zasadniczo pozbawiona cząstek, tak że cząsteczki gazowe nie mają niczego, do czego mogłyby się przyczepić. Zamiast tego tworzą nowe cząstki.

Jednak obserwacje lotnicze sugerują, że wtargnięcia powietrza stratosferycznego są jeszcze bardziej produktywne, jeśli chodzi o tworzenie cząstek. Turbulencje w atmosferze spowodowane przez strumień strumieniowy, szybko poruszający się prąd powietrza, mogą powodować, że palce powietrza stratosferycznego uderzają w dół i zwijają się w troposferę poniżej.

Dwie warstwy atmosferyczne mają bardzo różne składy chemiczne, a tam, gdzie te masy powietrza się mieszają, generują bardzo wydajne fabryki cząstek, mówi współautor badania Jian Wang, naukowiec zajmujący się aerozolami również na Uniwersytecie Waszyngtońskim w St. Louis. Stratosfera jest zimna i bogata w ozon, podczas gdy troposfera jest cieplejsza, wilgotniejsza i zawiera różnorodne cząsteczki, takie jak dwutlenek siarki. Katalizowana przez światło słoneczne i wodę reakcja chemiczna tych mas powietrza może generować różnorodne drobne cząstki, w tym siarczan zasiewający chmury.

Dokładnie, które i ile cząsteczek powstaje w wyniku tych stratosferycznych wtargnięć powietrza, to temat przyszłych prac, mówi Wang. „Tak naprawdę nie rozumiemy mechanizmów szczegółowo. Z danych wiemy, że… potrzeba słońca, wysokiego stężenia ozonu i wilgoci”, aby wytworzyć wysoce reaktywne cząsteczki znane jako rodniki OH (SN: 6/4/09). Te cząsteczki chętnie wchodzą w interakcje z innymi gazami w atmosferze. Tak więc prawdopodobnie w tych regionach zachodzi wiele różnych reakcji chemicznych, wytwarzających różnorodne nowe cząsteczki i cząsteczki.

Falistość strumienia strumieniowego może prowadzić do stratosferycznych wtargnięć powietrza (przedstawionych poniżej), w których bogata w ozon (O3) stratosfera zanurza się w bogatą w wodę troposferę. Troposfera zawiera również różnorodne gazowe cząsteczki, takie jak dwutlenek siarki (SO2), emitowane przez paliwa kopalne i wulkany. Reakcje chemiczne między dwiema warstwami, katalizowane przez światło słoneczne i parę wodną, ​​generują prekursory drobnych cząstek aerozolu, takich jak kwas siarkowy (H2SO4). Poprzednie badania sugerowały, że podstawowym mechanizmem powstawania nowych cząstek w atmosferze były obszary „wypływu chmur”, w których chmury rozpadają się wysoko w troposferze.

Pomimo tych niepewności, analiza zespołu dotycząca częstotliwości i produktywności wtargnięć powietrza stratosferycznego w porównaniu z wydarzeniami wypływu chmur sugeruje, że wtargnięcia mogą być większym źródłem nowych cząstek, szczególnie w regionach średnich szerokości geograficznych Ziemi. Oczekuje się, że zmiany klimatyczne nasilą cyrkulację stratosferyczną wokół Ziemi, co z kolei może zwiększyć częstotliwość wnikania stratosfery w troposferę w przyszłości. Sugeruje to, że ten mechanizm może stać się jeszcze ważniejszy dla powstawania nowych cząstek, mówi Wang.

Te odkrycia podkreślają ważne źródło powstawania nowych cząstek, które było długo pomijane, ale okazuje się, że występuje „wszędzie i często” w atmosferze, mówi Yuanlong Huang, chemik aerozoli atmosferycznych w Eastern Institute for Advanced Study w Ningbo w Chinach, który nie był zaangażowany w nowe badanie. „To mechanizm, który nie został jeszcze uwzględniony w obecnych modelach systemu Ziemi”.

A tak duże, wcześniej niepodejrzewane źródło nowych cząstek może z kolei oznaczać, że generowanie tych cząstek odgrywa większą rolę w tym, jak napływające promieniowanie słoneczne jest rozprowadzane na Ziemi — w tym ile dociera do powierzchni planety w porównaniu z tym, ile jest pochłaniane przez aerozole i chmury wysoko w atmosferze — niż kiedyś sądzili naukowcy.