Чому без аерозолів не утворюються хмари: механізм хмароутворення і кліматичні наслідки стерильної атмосфери

Перш ніж розглядати «стерильну» атмосферу, згадаємо, як зазвичай утворюються хмари. Атмосферні аерозолі – крихітні тверді або рідкі частинки (мікромасштабу) – слугують необхідними «зернятами» для конденсації. NASA відзначає, що «більшість хмар виникають завдяки аерозолям, які слугують крихітними “насінинками”, або ядрами конденсації» [1]. Аналогічно, Британська енциклопедія уточнює, що «пил та інші аерозолі забезпечують поверхні, на яких водяна пара може конденсуватися», що полегшує формування хмар [4]. Іншими словами, вода у вигляді пари прагне осісти не просто так, а «прилипнути» до дрібних частинок у повітрі.

Таких аерозолів багато природного походження: дрібний морський бриз (соляні частинки), пил пустель і ґрунту, леткі сірковмісні сполуки від вулканів, органічні сполуки з рослин тощо. Усі вони можуть стати ядрами конденсації хмарних крапель. Відповідно, без «брудного» (тобто насиченого такими частинками) повітря хмар майже не утворюється. Як зауважують в NOAA, «без “брудного повітря” не було б жодних хмар взагалі, або залишалися б лише високі льодові хмари». Навіть у «найчистішому» повітрі Землі знайдеться ~1000 частинок пилу на кубічний метр – без цих залишкових аерозолів не виник би жоден суттєвий хмарний покрив [2].

 Ця анімація NASA показує, як утворюється хмара на рівні частинок. Краплі води та вуглецеві аерозолі чорної сажі змішуються в повітрі. Краплі води чіпляються за аерозольні частинки, створюючи більшу краплю води. Крапля стає дуже великою і "вискакує" на менші краплі води, кожна з яких має аерозольну частинку всередині, створюючи таким чином хмару.

Механізм хмароутворення за нормальних умов

Типово хмара починається з охолодження вологого повітря. У спрощеному вигляді механізм хмароутворення можна представити рецептом:

1. Волога. Повітря зволочується випаровуванням з поверхні (океани, річки, ґрунт). Волога частина – водяна пара – накопичується в повітрі.

2. Підйом і охолодження. Завдяки конвекції, фронтам чи піднесенню над горами повітря піднімається вгору, розширюється та охолоджується. Оскільки здатність повітря утримувати пару знижується з температурою, зростає відносна вологість.

3. Конденсаційні ядра. При досягненні насичення (приблизно 100% відносна вологість) зайва пара починає конденсуватися на поверхнях аерозольних частинок (ядрах конденсації). Навіть до 100% RH вона може залишатися газоподібною, допоки є куди «прилипати» молекулам пари.

4. Ріст хмари. Краплі утворюються й ростуть, адсорбуючи вологу навколо. У результаті з’являється сукупність мільйонів крапель (або кристалів льоду), що визначає видимий хмарний покрив [1, 3].

Таким чином аерозолі є незамінними «насінинками» для хмар: їх роль аналогічна пилу для утворення інею чи роси. Наприклад, у NOAA пишуть:

«Навіть 100% насичення не призведе до утворення хмари, якщо повітря надто чисте – потрібен надлишок вологості (супернасичення)».

Утворення великої хмари

Тому в атмосфері без аерозолів конденсація відбувалася б лише при величезному перевищенні вологості над 100%. Поки що на Землі такого рівня досягнути майже неможливо у природних умовах, тому без частинок хмарних крапель не виникало б взагалі.

Наведемо ключові фактори утворення хмар у вигляді списку:

• Вологість і насичення. Для осідання води на частинці відносна вологість (RH) має досягти близько 100%. У присутності ідеальних конденсаційних ядер це може відбуватися ще до повного насичення («ненасичена» конденсація), а в чистому повітрі – тільки після створення стійкого супернасичення.

• Частинки (конденсаційні ядра). Пил, сіль, сульфатні і органічні частинки надають поверхні для осідання пари. NOAA заявляє: «без “пилюки” в повітрі хмар, ймовірно, не було б взагалі».

• Температура (охолодження). Охолоджене повітря знижує власну ємність пара. При підйомі вгору (адабабтичне розширення) RH зростає і волога починає осідати.

• Конвекція та підйом. Рухи повітря (вдень через нагрів, над горами чи фронтами) забезпечують необхідний підйом мас повітря [5, 6].

Цей «рецепт» хмароутворення діє на більшій частині планети. Він подібний до кулінарного: потрібна «курка» (вода) і «спеції» (частинки), а потім – «нагрівання» (охолодження) і «час», щоб утворилась «страва» (хмара). NASA додатково зауважує, що збільшення кількості аерозолів призводить до більшої кількості дрібних крапель, що робить хмари яскравішими і відбиваючими більше світла. Ці непрямі ефекти аерозолів (на властивості хмар) чинять значний вплив на енергетичний баланс атмосфери: густі білі хмари відбивають більше сонячного світла і тим самим охолоджують поверхню [2].

Стерильна атмосфера: хмари без конденсаційних ядер

Уявімо тепер гіпотетичну «стерильну» атмосферу – таку, де взагалі відсутні частинки аерозолів. На сучасній Землі навіть у найвіддаленіших районах (Антарктика, океани) завжди є хоча б морська сіль чи мінімум пил, проте сценарій «ідеально чистого» неба допомагає показати значення цих часток. У такій атмосфері хмароутворення майже неможливе з наступних причин:

• Відсутність ядер конденсації. Без пилу й інших аерозолів вода не має «де осідати». Навіть при відносній вологості 100% пара продовжуватиме залишатися газоподібною, що не дасть змоги утворити ні краплину хмари. NOAA підкреслює: без «брудного повітря» не було б жодного хмарного покриву, або з’явилися б лише високо в атмосфері рідкісні кристали льоду.

• Необхідність наднасичення. Теоретично вода могла б почати конденсуватися самопливно (гомогенне ядеркоутворення) лише при значному перевищенні вологості. Практично це відбувається при RH у кілька сотень відсотків (масивному перевищенні). Як наслідок, навіть звичайне досягнення «точки роси» не викликало б появи хмари.

• Іноді – тільки льодові хмари. У дуже чистому повітрі можливі поодинокі хмари лише на великих висотах, де залишки водяної пари замерзають прямо в кристали (циррусів або перистих хмар), але й вони вимагатимуть мінімальних аерозольних залишків. NOAA допускає тільки такі хмари як єдиний виняток за умов стерильного неба.

Отже, у «стерильній» атмосфері звичні низькі та середні хмари не утворювалися б. Як пише NASA, «без аерозолів хмари взагалі не могли б існувати». Навіть контраст із морськими «слідами кораблів» (де вихлоп суден створює вузькі білі смуги хмар) свідчить про це: без додаткових аерозолів хмари над океаном лишилися б темніші та розсіяніші (або зовсім зникли) [7].

Анімація NASA океанської солі, яка діє як ядра конденсації хмар.

Кліматичні наслідки стерильного неба

Наявність хмар суттєво впливає на клімат і енергетичний баланс планети. Хмари одночасно відбивають сонячне світло та утримують теплове випромінювання Землі. Однак у середньому їхній ефект на охолодження домінує. Як пояснює NASA, «низькі хмари сильно відбивають сонячне світло і загалом охолоджують планету, тоді як високі тонкі хмари впливають навпаки – вони пропускають сонячні промені, але затримують теплове випромінювання». Узагальнюючи, охолоджувальний ефект хмар є потужнішим за їхнє зігрівання.

Тому стабільне зникнення хмар призведе до різкого потепління. Оцінки моделювання NASA (дані супутникового проекту ISCCP/GISS) показують: усе сонячне випромінювання, яке відбивалося б хмарами, тепер поглинатиме поверхня. У підсумку, абсорбуючи на ~20% більше сонячної енергії, Земля мала б прогрітися в середньому приблизно на 12°C, щоб знову встановити баланс. (Це відповідає підвищенню температури поверхні на десятки градусів, істотно перевищуючи будь-які теперішні прогнози глобального потепління.)

Зникнення хмар перетворить Землю на розпечену пустелю

Умовно кажучи, стерильне небо обернулося б «парниковим пеклом»: сонячні промені безперешкодно прогрівали б поверхню вдень, а вночі тепло легко виходило б у космос (через прозоре небо). Проте денні температури злетіли б угору настільки, що світова система вцілілих екосистем зазнала б катастрофи. Важливо, що без хмар повністю зник би природний цикл вологи: дощів не було б взагалі, і вся водяна пара накопичувалася б у повітрі. Наслідки для водного балансу будуть руйнівні:

• Зупинка опадів. Без хмар не випадатиме дощ, сніг чи інший опад. Річки, озера, ґрунтова волога невідворотно висохли б. Навіть якщо короткостроково повітря набереться вологи (наприклад, випаровуванням), без конденсаційних ядер ця волога не повернеться у вигляді опадів.

• Екстремальна спека. Вдень без відбивання хмарами атмосфера та поверхня розігрівалися б набагато інтенсивніше. Навіть якщо земля швидко випромінюватиме тепло вночі, високі денно-нічні перепади температури призвели б до утворення гарячих пустельних умов [6].

• Посилення парникового ефекту. Водночас відсутність низьких хмар зменшить утримання тепла в атмосфері, але абсорбція СВП (вуглекисого газу, водяної пари) залишиться. Згідно з NASA, у такому разі загальний баланс зсунувся б на користь значнішого прогрівання, оскільки охолодження через відбивання сонячного випромінювання від хмар значніще перевищує їхнє додаткове нагрівання.

• Ерозія ґрунту і пилова буря. Без рослинності та вологи ґрунт висох би, породжуючи пилові бурі (схоже до Столітньої посухи в США 1930-х рр.). Оскільки навіть найменші літні дощі виключені, вітер підхоплюватиме пил і забруднення (як колись на Марсі – там без аерозолей немає дощу).

Врешті-решт стерильна атмосфера викликала б глобальну посуху. Вчені попереджають: втрата опадів та питної води призведе до колапсу екосистем і зникнення більшості форм життя. Навіть якщо людство спробувало б консервативно використовувати воду, без постійних опадів наші запаси виснажаться за десятиліття. Численні моделювання підтверджують, що «постійна засуха» була б ключовим наслідком відсутності хмар [2].

Підсумки

Отже, хмароутворення невіддільне від присутності аерозолів у атмосфері. Вони виконують роль ядер конденсації, без яких звичні низькі та середні хмари не можуть сформуватися. NASA та NOAA одноголосно наполягають: «хмари не могли б існувати без аерозолів». Гіпотетична стерильна атмосфера (ідеально «чисте» небо) спровокувала б надзвичайні кліматичні зміни – від суттєвого потепління (одна МКС/ISCCP-модель оцінює +12°C) до повної втрати опадів. Зникнули б дощі й сніг, вода зникла б із поверхні планети, а пустелі поширилися б по всій Землі.

Таким чином, хоча аерозолі здаються крихітними й непомітними, їхній вплив на клімат зовсім не малий. Вони визначають яскравість хмар, кількість опадів і навіть регулюють глобальну температурну рівновагу. Відповідно, передбачати кліматичні зміни без урахування аерозольних ефектів неможливо. Стерильна атмосфера – це сценарій протилежний до реальності Землі, але саме він ілюструє, наскільки важливими є ці дрібні часточки для нашої погоди і клімату.

Список використаних джерел:

1. NASA Earth Observatory. Aerosols and Clouds (Indirect Effects). URL: https://earthobservatory.nasa.gov/features/Aerosols/page4.php

2. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Cloud Development. URL: https://www.weather.gov/source/zhu/ZHU_Training_Page/clouds/cloud_development/clouds.htm

3. NASA Scientific Visualization Studio. Aerosols Impact Cloud Formation. URL: https://svs.gsfc.nasa.gov/10387

4. Encyclopædia Britannica. Learn how the Sun warms moist air near the ground and causes it to rise and condense on dust particles [відео]. URL: https://www.britannica.com/video/Dust-aerosols-atmosphere-water-vapour-surfaces-development

5. NASA (GSFC). Aerosols and Their Importance. URL: https://earth.gsfc.nasa.gov/climate/data/deep-blue/aerosols

6. NASA. The Importance of Understanding Clouds (FS-2005-09-073-GSFC). URL: https://www.nasa.gov/pdf/135641main_clouds_trifold21.pdf

7. Warren M. et al. Cloud Climatology – The Role of Clouds in Climate. International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), NASA/GISS. URL: https://isccp.giss.nasa.gov/role.html

8. Robert Simmon, NASA Earth Observatory. Every Cloud Has a Filthy Lining. URL: https://earthobservatory.nasa.gov/features/ShipTracks