Tikt uz priekšu mākoņos

Ziemas vidus vakarā Kembridžai iestājoties krēslai, Dens Čičo uz brīdi apstājas, lai skatītos brīnišķīgu skatu. Ir saulriets, un tieši virs horizonta sarkanas un oranžas svītras izplūst dziļākos purpursarkanās un zilās joslās, jo visa veida mākoņi stiepjas pāri tumšajām debesīm. Gumbu kokvilnas bumbiņas sajaucas ar pārklājošu slāņa slāni un plāniem, spalvu pavedieniem, kas stiepjas virs galvas. Ikvienam, kurš atpūšas darbā, lai paskatītos uz rietumiem gar Čārlza upi, skats ir satriecošs.

Čičo, 42 gadus vecais MIT atmosfēras zinātnieks, savā ziņā uzskata, ir viņa darbs. Čičo pēta mākoņu veidošanos, un viņš uzskata, ka mākoņi — jo īpaši cirrus — ir atslēga, lai atbildētu uz būtisku jautājumu: cik tieši Zeme tuvākajā nākotnē sasils?

Zinātnieku līdz šim labākā atbilde joprojām ir neskaidra — no 1 līdz 5 °C atkarībā no siltumnīcefekta gāzu daudzuma, ko cilvēki pievieno atmosfērā. Dažās pasaules daļās šāds pieaugums varētu nozīmēt jūras pieaugumu, spēcīgākas vētras un postošus ugunsgrēkus un plūdus. Ar katru sasilšanas pakāpi zinātnieki prognozē ražas samazināšanos līdz pat 15 procentiem, Arktikas jūras ledus klāto apgabalu samazināšanos par 15 procentiem, nokrišņu skaita pieaugumu spēcīgāko vētru laikā un par 400 procentiem pieaugumu mežu ugunsgrēku izraisītajās teritorijās. ASV rietumos. Tas nozīmē, ka atšķirība starp vienu un pieciem sasilšanas grādiem ir diezgan ievērojama.

2007. gadā Nobela prēmijas laureāta Klimata pārmaiņu starpvaldību padomes ziņojumā zinātnieki no visas pasaules secināja, ka liela daļa nenoteiktības klimata prognozēs ir saistīta ar mākoņiem. Zinātnieki atzīmēja, ka, lai gan mākoņi var bloķēt saules starojuma iekļūšanu atmosfērā, apstākļi, kādos tie veidojas, un tas, cik lielā mērā tie faktiski atdzesē planētu, atstarojot šo starojumu, ir ļoti slikti saprotami. Vēl vairāk sarežģījot situāciju, siltāka Zeme satur vairāk mitruma, kas varētu palielināt kopējo mākoņu apjomu.

Lai samazinātu klimata prognožu nenoteiktību, Cziczo un viņa pētniecības grupa MIT pēta tādus priekšmetus kā aerosoli vai gaisā esošās daļiņas, kas darbojas kā sēklas, kas palīdz mākoņiem veidoties. Tā kā daļiņas, piemēram, putekļi, uzpeld atmosfērā, tās nodrošina virsmu, uz kuras var kondensēties vai sasalt ūdens tvaiki, veidojot smalku miglu, kas no attāluma var izskatīties uzpūtīga, slāņaina vai slāņaina atkarībā no reģiona temperatūras un relatīvā mitruma.

Dažādas daļiņas un mākoņi darbojas atšķirīgi, un, izprotot šo līdzsvaru, mēs patiešām palielināsim [klimata prognožu] noteiktību, saka Čičo. Piespraust to, lai pateiktu: “Vai mēs sasilsim par vienu grādu vai trīs grādiem?” Tā ir lieta, ko mēs cenšamies izdomāt.

Redzot cauri cirram
Šovakar Cziczo tver mākoņa displeju no apskaužama lakta: MIT 21 stāvu augstās Cecil ēkas jumta un Kembridžas augstākās ēkas Ida Green Building.

Jumts jau sen ir bijusi ideāla vieta atmosfēras izpētei, kurā atrodas instrumenti, kas mēra vēja ātrumu, relatīvo mitrumu un temperatūru. Reizēm Cziczo, Zemes, atmosfēras un planētu zinātņu katedras asociētais profesors, atvedīs savus studentus, lai veiktu instrumentu rādījumus, izmantojot datus, lai noskaidrotu, vai un kur veidosies mākoņi.

Tomēr šoreiz viņš ir šeit tikai skata dēļ.

Ja paskatās cauri saulrietam, var redzēt augstākos mākoņus, tādus kā raibus, saka Čičo, norādot uz spalvu mākoņiem tālumā. Viņi izgatavo šos foršos pavedienus… to grieķu nosaukums ir saistīts ar zirgu astriem vai ķēves astēm, un mēs pēdējā laikā esam pētījuši tos, ņemot vērā to nozīmi klimatā.

Gaisa mākoņi veidojas četrus līdz 12 kilometrus virs Zemes virsmas troposfēras augšējā daļā, kas ir zemākais atmosfēras slānis. Šādos augstumos ūdens tvaiki var sasalt ap daļiņām, veidojot ledus kristālus. Iegūtie ledus mākoņi, kā zināmi arī spalvu mākoņi, parasti ir pirmais mākoņu slānis, ar kuru saskaras saules gaisma, kad tā nonāk virspusē. Ledus kristāli darbojas kā mazi atstarotāji, kas izkliedē saules gaismu. Tiek uzskatīts, ka mākoņi kopumā var atstarot pietiekami daudz saules gaismas atpakaļ kosmosā, lai kompensētu pusi līdz trīs ceturtdaļas no siltumnīcefekta gāzu, piemēram, oglekļa dioksīda, izraisītās sasilšanas. Tomēr spalvu mākoņu tīrā ietekme nav skaidra: lai gan tie pasargā planētu no ienākošās saules gaismas, tie arī aiztur starojumu, mēģinot izkļūt no tās virsmas.

Lai precīzi zinātu, kādu lomu spēlē spalvu mākoņi, Cziczo saka, ka ir svarīgi saprast, kā tie veidojas, jo īpaši, kādas daļiņas vai aerosoli tos dabiski sēj.

Saulei rietot, viņš dodas uz savu laboratoriju 13. stāvā, kur divas stikla caurules, kas daļēji ietvertas metāla apvalkā, rada mākoņus. Iestatījumu, kuru viņš palīdzēja izveidot, sauc par mākoņu kameru. Regulējot temperatūru un relatīvo mitrumu kamerā, pētnieki var radīt ideālus apstākļus mākoņu pilienu vai ledus kristālu veidošanai. Vienīgā trūkstošā sastāvdaļa ir ideāla sēkla, uz kuras var veidoties mākoņi.

Sijāšana sēklām
Cziczo ir izmēģinājis dažādus aerosolus, lai noskaidrotu, kuri kamerā visvieglāk veidos mākoņus. Ievadot šos dažādos aerosolus kamerā, jo viņš atdarina laika apstākļus noteiktās pasaules daļās, viņš cer noteikt, kuras daļiņas šajos reģionos izraisa mākoņu veidošanos. Lai demonstrētu, viņš izņem nelielu burciņu ar pelēku pulveri, minerālu putekļiem, kas savākti Viskonsīnā.

Uztaisīsim putekļu vētru, viņš saka, un pavicina atvērto burku divu sprauslu priekšā, kas ielaiž gaisu katrā stikla caurulē. Caurules ir pārāk mazas, lai radītu redzamus mākoņus, tāpēc Cziczo izmanto lāzeru sistēmu, lai noteiktu, vai ūdens tvaiki ir saplūduši pietiekami lielos pilienos, lai tos uzskatītu par mākoņu daļiņām.

Pēc tam Cziczo izžāvē mākoņu pilienus, nosūtot tos caur nelielu nodalījumu, kas piepildīts ar desikantiem, kas līdzīgi tiem, kas atrodas paciņās, kas atrodamas kurpju kastēs. Pēc tam viņš un viņa kolēģi var tos analizēt, lai noteiktu precīzu mākoņa sēklas sastāvu.

Mākoņu kamera ir pietiekami maza, lai to varētu iesaiņot un aizvest uz jebkuru pasaules vietu, lai ņemtu paraugu tieši no reģiona atmosfēras, kas, pēc Čičo teiktā, ir liela priekšrocība. Zinātnieki var secināt, ka, lai gan noteikts aerosols ir lieliski piemērots mākoņu sēšanai laboratorijā, šis aerosols nav atrodams tādā augstumā, kur tas dabā varētu veidot mākoņus. Parasti tiek pieņemts, ka bioloģiskais materiāls ir fantastiska viela ledus mākoņu veidošanai, viņš saka, norādot, ka daži ziedputekšņu veidi viņa kamerā ļoti labi rada mākoņus. Bet, dodoties uz lauka, jūs saprotat, ka tas vienkārši nav sastopams troposfēras augšdaļā lielos daudzumos, tāpēc tas nevar būtiski ietekmēt mākoņus. Ja tikko ņēmāt paraugus uz zemes, jūs varētu sevi apmānīt, domājot, ka tas ir svarīgi. Tāpēc viņš ir nolēmis savas grupas pētījumos iekļaut gan lauka pētījumus, gan laboratorijas darbu.

Sēžu ledus mākoņos
Pēdējo 15 gadu laikā Cziczo ir apmeklējis kalnu virsotnes, meklējot aerosolu veidus, kas varētu būt atrodami visā troposfēras augšējā daļā. Būdams pēcdoktors Kolorādo Universitātē un Nacionālajā okeāna un atmosfēras pārvaldē, viņš devās uz Storm Peak laboratoriju Kolorādo ziemeļu centrālajā daļā, kur ar mākoņu kameras agrīno versiju ņēma paraugus augstkalnu mākoņos. Šī pieredze viņu sagatavoja pētniecības un pasniedzēja amatam Šveices Federālajā Tehnoloģiju institūtā Cīrihē un pēc tam viņa karjeras augstākajam punktam: īslaicīgam mākoņu paraugu ņemšanai Sfinksas observatorijā, attālā pētniecības stacijā, kas uzbūvēta gar observatorijas mugurkaulu. Bernes Alpi. Tā ir nosaukta tās sfinksai līdzīgās arhitektūras dēļ, un tā ir viena no augstākajām sauszemes observatorijām pasaulē, kas atrodas vairāk nekā 11 000 pēdu augstumā virs jūras līmeņa. Šādā augstumā jauktās fāzes mākoņi, kas ir līdzīgi spalvu mākoņiem, var pārklāt virsotnes.

Vietne, kas tiek dēvēta par Eiropas virsotni, ir tūristu pievilcība dienā, kad cilvēki ceļo ar vilcienu, kas tiek darbināts ar elektrību, lai nesabojātu zinātnieku mērījumus ar izplūdes gāzēm. Tomēr naktī tūristi paceļas, un pētnieki noguļas.

Pirmo nakti neviens neguļ, atceras Čičo. Jūs saņemat stipras galvassāpes, un jūs varat sajust, kā pukst jūsu sirds. Lai aklimatizētos, ir vajadzīgas pāris dienas, bet pēc tam tas ir brīnišķīgi… dažreiz jūs faktiski sēžat ledus mākoņos.

Pēc Šveicē pavadītā laika Čičo turpināja darbu atpakaļ ASV Klusā okeāna ziemeļrietumu nacionālajā laboratorijā. 2011. gadā viņš pārcēlās uz austrumiem, lai pievienotos MIT fakultātei.

2011. gada martā viņš un viņa studenti aizveda mākoņu kameru uz Džonsona kosmosa lidojumu centru Hjūstonā, kur to uzstādīja pie vecā bumbvedēja B-57 deguna. Lidmašīna, kas tika lidota 1950. gados izlūkošanas misiju laikā, kopš tā laika ir pārveidota par pētniecības lidmašīnu, un tagad tā tiek izmantota tādos projektos kā NASA lauka kampaņa ar nosaukumu Mid-platitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). Lidmašīna lido pat 63 000 pēdu augstumā, padarot to ideāli piemērotu spalvu mākoņu paraugu ņemšanai, lai gan var būt sarežģīti paredzēt, kad tie varētu parādīties.

Sešu nedēļu laikā komanda savāca mākoņu paraugus virs Meksikas līča un tuksneša dienvidrietumiem. Analizējot to sastāvu, atklājās, ka minerālu putekļi, piemēram, tuksneša vētras izraisītas smiltis, veidoja aptuveni 60 procentus no aerosoliem šajos mākoņos. Pētnieki arī atklāja, ka no 8 līdz 25 procentiem mākoņu veidojošo putekļu daļiņu bija svins. Tas, ko viņi neatrada, varbūt bija pārsteidzošāks: bioloģiskais materiāls, piemēram, ziedputekšņi un sporas, vai ogleklis, kas izdalās no dūmu skursteņiem. Lai gan pētnieki ir novērojuši, ka ogleklis un ziedputekšņi laboratorijā viegli veido mākoņus, Cziczo atklājumos šāda veida aerosoli veidoja mazāk nekā 1 procentu no spalvu mākoņu daļiņām.

Pētnieki cer, ka šādi eksperimenti palīdzēs precīzi noteikt, kuri aerosoli veido spalvu mākoņus un, vēl svarīgāk, vai šos aerosolus izdala cilvēka darbība. Piemēram, Cziczo saka, ka, lai gan minerālu putekļi ir dabiska viela, kas galvenokārt sastāv no netīrumiem un smiltīm, kas izpūstas no Zemes virsmas, cilvēki ir būtiski mainījuši to daudzumu atmosfērā.

Viņš saka, ka, mainot zemes izmantojumu, atbrīvojoties no mežiem, lai izveidotu aramzemi, vai apstrādājot zem labības, jūs traucējat minerālu putekļus. Tātad tā ir dabiska daļiņa, taču tās ir vairāk cilvēku radītu darbību dēļ. Un šķiet, ka tā ir viena no šīm lietām, kas veido ledus mākoņus. Svinu saturošie mākoņu putekļi, ko komanda atrada, iespējams, radušies arī cilvēku darbības rezultātā: tādi avoti kā lidmašīnu izpūtēji, ogļu spēkstacijas un svinu saturošs benzīns, kas visā pasaulē tika izņemts tikai 90. gadu vidum. Lai gan viņš noteikti neatbalsta turpmāku piesārņojumu, Cziczo atzīst, ka globālā sasilšana būtu daudz sliktāka, ja tā nebūtu cilvēka daļiņu pievienošana atmosfērā.

Agrāk klimata novērtēšanas grupas patiešām nav pievērsušās tam, vai antropogēnā darbība varētu ietekmēt ledus mākoņus, lai gan ir zināms, ka tie ir svarīgi klimatā, saka Džons Abats, Toronto Universitātes atmosfēras ķīmijas profesors. Tas ir tas, kas ir īpašs Dena darbā. Viņam ir iespējas novērtēt, vai ledus mākoņos ir antropogēnas pazīmes. Tas ir sākumpunkts, lai mēģinātu novērtēt ledus veidošanos saistībā ar klimata pārmaiņām.

Mērīšana kopā
Cziczo un pieaugošā atmosfēras zinātnieku kopiena cer, ka mākoņu veidošanās pamatu noteikšana iznīcinās visas atlikušās neskaidrības par globālo sasilšanu. Papildus eksperimentālajam darbam viņi izstrādā klimata modeļus, kas ietver mākoņu veidošanos. To apkopotie dati palīdzēs padarīt šādus modeļus daudz precīzākus, lai gan ir jāpārvar ievērojamas problēmas: lielākā daļa modeļu simulē klimatu, sadalot zemeslodi režģī, vidējos laikapstākļu datus kvadrātos, kas vislabākajā izšķirtspējā ir 100 kvadrātkilometri. Mākoņu datu iekļaušana smalku aerosolu līmenī prasītu milzīgu skaitļošanas jaudu.

Chien Wang, vecākais pētnieks MIT Globālo pārmaiņu zinātnes centrā, sadarbojas ar Cziczo, lai atrastu veidus, kā šos smalko daļiņu datus iekļaut liela mēroga klimata modeļos. Dan laboratorijas un lauka darbi acīmredzami var mums palīdzēt uzlabot mūsu modeli, lai labāk simulētu saikni starp aerosoliem un ledus mākoņiem un to ietekmi uz klimatu, saka Vans. Es ļoti priecājos, ka varam viņu uzņemt mājās.

Čičo darbs var arī palīdzēt pārvarēt vēl vienu būtisku šķērsli šajā jomā. Pētnieki dažādās grupās mēdz veidot paši savas mākoņu kameras, un viena mērījumi var nebūt salīdzināmi ar cita mērījumiem. Instrumentu, kuru Cziczo palīdzēja izstrādāt, nesen licencēja uzņēmums Kolorādo, kas to ražo kā pirmo komerciālo ledus mākoņa kameru. Modeļa numurs 001 ir goda vietā uz viņa MIT laboratorijas stenda, un citi pētnieki ir pasūtījuši vairāk vienību.

Atgriezies savā MIT birojā, Čičo skatās pa logu, plašo skatu, kas ņem vērā Bostonas panorāmu un dažus klaiņojošus mākoņus augšpusē. Reizēm viņš fotografē mākoņu veidojumus vai interesantas lidmašīnu sliedes un lūdz studentus noteikt mākoņa veidu un vietu, kur tas varētu būt veidojies. Tas ir vingrinājums, kas radies gan no vienkāršā brīnuma, gan zinātniskās zinātkāres.

Viņš atceras, ka bērnībā mani vienmēr fascinēja mākoņi, lidošana un tamlīdzīgas lietas. Man šķiet, ka tagad no tā gūstu lielāku prieku, jo daļu no tā saprotu un joprojām cenšos skatīties ārpusē un izdomāt lietas.

Papildus mākoņu izpētei Zemes atmosfērā Dens Čičo pēta tos, kas var veidoties uz Marsa. Lai gan Marsa atmosfēra ir pārāk plāna, lai uzturētu dzīvību, jaunākajos NASA Mars Reconnaissance Orbiter attēlos ir redzams oglekļa dioksīda sniegs, kas izgulsnēts no mākoņiem.

Lai noskaidrotu, kas varētu veidot šos mākoņus, kas Čičo izskatījās kā dimanta putekļi, viņš un viņa skolēni laboratorijā audzē mākoņus Marsam līdzīgos apstākļos. Viņi nesen devās ceļojumā uz pasaulē lielāko mākoņu kameru, Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) iekārtu Karlsrūē, Vācijā — vecu, atkārtoti izmantotu kodolreaktoru, kura kodols ir aizstāts ar trīsstāvu augstu kameru. . Zinātnieki no visas pasaules izmanto masīvo kameru, lai novērotu liela mēroga efektus, ko viņi nevarēja redzēt galda modeļos.

Cziczo komanda sazinājās ar NASA, lai iegūtu putekļu paraugus, kas pēc sastāva ir līdzīgi putekļiem uz Marsa (tie faktiski tika savākti no ASV tuksnešiem), un ievietoja tos mākoņu kamerā, pielāgojot tā temperatūru un relatīvo mitrumu uz Marsa novērotajiem līmeņiem. Eksperiments veiksmīgi izveidoja ūdens-ledus mākoni.

Čičo cer turpināt šo jauno ārpuszemes pētījumu nozari, ko, viņaprāt, daļēji iedvesmojuši atmosfēras attēli, ko uzņēma Marsa izlūkošanas orbiter un NASA Fēnikss piezemētājs.

Viņš saka, ka jūs varat redzēt ledus kristālus, kas izkrīt no atmosfēras. Un tas ir smieklīgi, jo pirmo reizi, kad redzēju šos attēlus, tie izskatījās kā mākoņi Zemes atmosfērā.

- J.C.

paslēpties