Posuwanie się naprzód w chmurach

Gdy w pełni zimowego wieczoru nad Cambridge zapada zmierzch, Dan Cziczo zatrzymuje się na chwilę, by podziwiać spektakularny widok. Jest zachód słońca, a tuż nad horyzontem smugi czerwieni i pomarańczy przenikają w głębsze połacie fioletu i błękitu, gdy chmury każdego rodzaju rozciągają się na ciemniejącym niebie. Kłębki waty z cumulusu mieszają się z przykrytą warstwą stratusa i cienkimi, pierzastymi nitkami cirrusów ciągnących się nad głową. Dla każdego, kto robi sobie przerwę w pracy, aby spojrzeć na zachód wzdłuż rzeki Charles, widok jest oszałamiający.

Dla Cziczo, 42-letniego naukowca zajmującego się atmosferą z MIT, widok niejako jest jego praca. Cziczo bada tworzenie się chmur i widzi chmury – w szczególności cirrusy – jako klucz do odpowiedzi na kluczowe pytanie: dokładnie o ile Ziemia nagrzeje się w najbliższej przyszłości?

Najlepsza odpowiedź, jaką do tej pory wymyślili naukowcy, jest nadal niepewna — od 1 do 5 °C, w zależności od ilości gazów cieplarnianych wprowadzanych przez ludzi do atmosfery. W niektórych częściach świata taki wzrost może oznaczać podnoszenie się mórz, silniejsze sztormy oraz niszczycielskie pożary i powodzie. Przy każdym stopniu ocieplenia naukowcy przewidują nawet 15-procentowy spadek plonów, 15-procentowy spadek na obszarze pokrytym arktycznym lodem morskim, 10-procentowy wzrost opadów deszczu podczas najcięższych sztormów i 400-procentowy wzrost obszarów spalonych przez pożary na zachodnie Stany Zjednoczone. Oznacza to, że różnica między jednym a pięcioma stopniami ocieplenia jest dość znaczna.

W 2007 roku w raporcie opublikowanym przez nagrodzony nagrodą Nobla Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu naukowcy z całego świata doszli do wniosku, że duża część niepewności prognoz klimatycznych ma związek z chmurami. Naukowcy zauważyli, że chociaż chmury mogą blokować przenikanie promieniowania słonecznego do atmosfery, warunki, w jakich się tworzą, oraz stopień, w jakim faktycznie ochładzają planetę poprzez odbijanie tego promieniowania, są bardzo słabo poznane. Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że cieplejsza Ziemia zawiera więcej wilgoci, co może zwiększyć całkowitą objętość chmur.

Aby zmniejszyć niepewność prognoz klimatycznych, Cziczo i jego grupa badawcza z MIT badają takie przedmioty, jak aerozole lub cząstki unoszące się w powietrzu, które działają jak nasiona pomagające w tworzeniu się chmur. Ponieważ cząsteczki, takie jak kurz, unoszą się do atmosfery, tworzą powierzchnię, na której para wodna może się skraplać lub zamarzać, tworząc drobną mgiełkę, która z daleka może wydawać się opuchnięta, warstwowa lub niewyraźna, w zależności od temperatury i wilgotności względnej regionu.

Różne cząstki i chmury działają inaczej, a zrozumienie tej równowagi jest tak naprawdę sposobem na zwiększenie pewności [prognoz klimatycznych], mówi Cziczo. Przypinając to do powiedzenia: „Czy mamy ocieplenie o jeden czy trzy stopnie?”. To jest rodzaj rzeczy, które staramy się rozgryźć.

Widzenie przez cirrus
Dziś wieczorem Cziczo łapie chmurę z godnej pozazdroszczenia grzędy: dachu 21-piętrowego budynku Cecil i Ida Green Building w MIT, najwyższego budynku w Cambridge.

Dach od dawna jest idealnym miejscem do badania atmosfery, mieszcząc instrumenty mierzące prędkość wiatru, wilgotność względną i temperaturę. Od czasu do czasu Cziczo, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnych, przyprowadza tu swoich studentów, aby odczytywali przyrządy, wykorzystując dane do ustalenia, czy i gdzie uformują się chmury.

Tym razem jednak jest tu tylko dla widoku.

Patrząc przez zachód słońca, widać wyższe chmury, takie jak te delikatne – mówi Cziczo, wskazując w oddali chmury cirrus. Robią te fajne włókna… ich grecka nazwa ma związek z włosiem końskim lub ogonem klaczy, a to te, które ostatnio badamy, ze względu na ich znaczenie w klimacie.

Chmury Cirrus tworzą się od czterech do 12 kilometrów nad powierzchnią Ziemi w górnej części troposfery, najniższej warstwie atmosfery. Na takich wysokościach para wodna może zamarzać wokół cząstek, tworząc kryształki lodu. Powstałe chmury lodowe, jak znane są również chmury cirrus, są zwykle pierwszą warstwą chmur, na którą napotyka światło słoneczne w drodze na powierzchnię. Kryształki lodu działają jak maleńkie reflektory, które rozpraszają światło słoneczne. Uważa się, że ogólnie chmury mogą odbijać wystarczającą ilość światła słonecznego z powrotem w kosmos, aby zrównoważyć od połowy do trzech czwartych ocieplenia spowodowanego przez gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla. Wpływ netto chmur cirrus jest jednak niejasny: osłaniając planetę przed wpadającym światłem słonecznym, zatrzymują również promieniowanie, które próbuje uciec z jej powierzchni.

Aby dokładnie wiedzieć, jaką rolę odgrywają chmury cirrus, mówi Cziczo, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób powstają, a konkretnie, jakie cząsteczki lub aerozole w naturalny sposób je zasiewają.

Gdy słońce zachodzi, kieruje się do swojego laboratorium na 13. piętrze, gdzie dwie szklane rurki, częściowo zamknięte w metalowej obudowie, wznoszą chmury. Układ, który pomógł zbudować, nazywa się komorą chmurową. Dostosowując temperaturę i wilgotność względną w komorze, naukowcy mogą stworzyć idealne warunki do tworzenia kropelek chmur lub kryształków lodu. Jedynym brakującym składnikiem jest idealne ziarno, na którym mogą tworzyć się chmury.

Przesiewanie nasion
Cziczo testował różne aerozole, aby zobaczyć, z których najłatwiej uformują się chmury w komorze. Wprowadzając te różne aerozole do komory, naśladując warunki pogodowe w niektórych częściach świata, ma nadzieję ustalić, jakie cząstki powodują tworzenie się chmur w tych regionach. Aby to zademonstrować, wyjmuje mały słoik szarego proszku, pyłu mineralnego zebranego w Wisconsin.

Zróbmy burzę piaskową, mówi i macha otwartym słoikiem przed dwiema dyszami, które wciągają powietrze do każdej szklanej rurki. Rurki są zbyt małe, aby generować widoczne chmury, więc Cziczo używa systemu laserów, aby zmierzyć, czy para wodna połączyła się w kropelki wystarczająco duże, aby można je było uznać za cząsteczki chmur.

Następnie Cziczo suszy kropelki chmury, przepuszczając je przez małą przegródkę wypełnioną środkami osuszającymi podobnymi do tych, które znajdują się w paczuszkach w pudełkach po butach. On i jego koledzy mogą następnie je przeanalizować, aby określić dokładny skład nasion chmur.

Komora chmurowa jest na tyle mała, że ​​można ją spakować i zabrać do dowolnej części świata, aby pobrać próbki bezpośrednio z atmosfery regionu, co według Cziczo jest dużą zaletą. Naukowcy mogą stwierdzić, że chociaż pewien aerozol doskonale nadaje się do zasiewania chmur w laboratorium, aerozol ten nie znajduje się na wysokości, na której mógłby tworzyć chmury w naturze. Ogólnie przyjmuje się, że materiał biologiczny jest fantastyczną substancją do tworzenia chmur lodowych, mówi, zauważając, że niektóre rodzaje pyłków wytwarzają chmury niezwykle dobrze w jego komorze. Ale kiedy idziesz w teren, zdajesz sobie sprawę, że po prostu nie ma go w górnej troposferze w dużych ilościach, więc nie może mieć dużego wpływu na chmury. Jeśli po prostu spróbowałeś na ziemi, możesz się oszukać, myśląc, że to ważne. Dlatego postanowił włączyć zarówno badania terenowe, jak i prace laboratoryjne do badań swojej grupy.

Siedząc w lodowych chmurach
W ciągu ostatnich 15 lat Cziczo odwiedzał szczyty górskie w poszukiwaniu rodzajów aerozoli, które można znaleźć w górnej troposferze. Jako staż podoktorski na Uniwersytecie Kolorado i Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej odbył podróże do Storm Peak Laboratory w północno-środkowej części Kolorado, gdzie pobierał próbki chmur na dużych wysokościach za pomocą wczesnej wersji komory mgłowej. To doświadczenie przygotowało go do stanowiska badawczego i dydaktycznego w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu, a następnie do dosłownego przełomu w jego karierze: próbkowania chmur w Obserwatorium Sphinx, zdalnej stacji badawczej zbudowanej wzdłuż kręgosłupa Alpy Berneńskie. Nazwany ze względu na swoją architekturę przypominającą sfinksa, jest jednym z najwyższych obserwatoriów lądowych na świecie na wysokości ponad 11 000 stóp nad poziomem morza. Na tej wysokości chmury o mieszanej fazie — podobne do chmur cirrus — mogą zakrywać szczyty.

Miejsce, które nazwano Wierzchołkiem Europy, jest atrakcją turystyczną w ciągu dnia, kiedy ludzie podróżują pociągiem – napędzanym elektrycznie, aby nie splamić pomiarów naukowców spalinami. W nocy jednak turyści startują, a badacze przysypiają.

Pierwszej nocy nikt nie śpi – wspomina Cziczo. Dostajesz pulsujący ból głowy i czujesz bicie serca. Aklimatyzacja zajmuje kilka dni, ale potem jest to niesamowite… czasami faktycznie siedzisz w lodowych chmurach.

Po pobycie w Szwajcarii Cziczo kontynuował swoją pracę w Stanach Zjednoczonych w Pacific Northwest National Laboratory. W 2011 roku przeniósł się na wschód, aby dołączyć do wydziału na MIT.

W marcu 2011 roku on i jego uczniowie zabrali komorę chmurową do Centrum Lotów Kosmicznych im. Johnsona w Houston, gdzie zamontowali ją na nosie starego bombowca B-57. Samolot, który latał w latach 50. podczas misji rozpoznawczych, od tego czasu został przerobiony na samolot badawczy i jest obecnie wykorzystywany do projektów takich jak kampania terenowa NASA o nazwie Mid-latitude Airborne Cirrus Properties Experiment (MACPEX). Samolot leci na wysokość 63 000 stóp, co czyni go idealnym do pobierania próbek chmur cirrus, chociaż trudno jest przewidzieć, kiedy mogą się pojawić.

W ciągu sześciu tygodni zespół zebrał próbki chmur nad Zatoką Meksykańską i pustynią na południowym zachodzie. Analiza ich składu wykazała, że ​​pył mineralny, taki jak piasek wzniesiony podczas pustynnej burzy, stanowił około 60 procent aerozoli w tych chmurach. Naukowcy odkryli również, że od 8 do 25% cząstek pyłu tworzącego chmury zawiera ołów. To, czego nie znaleźli, było być może bardziej zaskakujące: materiał biologiczny, taki jak pyłki i zarodniki lub węgiel emitowany z kominów. Podczas gdy naukowcy zaobserwowali, że węgiel i pyłek łatwo tworzą chmury w laboratorium, ten rodzaj aerozolu stanowił mniej niż 1 procent cząstek chmur cirrus w odkryciach Cziczo.

Naukowcy mają nadzieję, że takie eksperymenty pomogą dokładnie określić, które aerozole tworzą chmury cirrus i, co ważniejsze, czy aerozole te są uwalniane przez działalność człowieka. Na przykład Cziczo mówi, że chociaż pył mineralny jest substancją naturalną, składającą się głównie z brudu i piasku zdmuchiwanego z powierzchni Ziemi, to ludzie znacznie zmienili jego ilość w atmosferze.

Kiedy zmieniasz sposób użytkowania ziemi, kiedy pozbywasz się lasów, aby stworzyć pola uprawne, albo uprawiasz pod uprawami… przeszkadzasz pyłowi mineralnemu, mówi. Więc jest to naturalna cząsteczka, ale jest jej więcej z powodu działań człowieka. I wygląda na to, że to jedna z tych rzeczy tworzy chmury lodu. Odkryty przez zespół pył chmurowy zawierający ołów prawdopodobnie pochodzi również z działalności człowieka: źródeł takich jak rury wydechowe samolotów, elektrownie węglowe i benzyna ołowiowa, która nie została wycofana na całym świecie do połowy lat 90. XX wieku. Chociaż z pewnością nie opowiada się za dalszym zanieczyszczeniem, Cziczo przyznaje, że globalne ocieplenie byłoby znacznie gorsze, gdyby nie dodawanie cząstek do atmosfery przez człowieka.

W przeszłości grupy zajmujące się oceną klimatu tak naprawdę nie zajmowały się tym, czy działalność antropogeniczna może wpływać na chmury lodowe, mimo że wiadomo, że są one ważne dla klimatu, mówi Jon Abbatt, profesor chemii atmosfery na Uniwersytecie w Toronto. To właśnie jest wyjątkowe w pracy Dana. Potrafi ocenić, czy w chmurach lodowych znajdują się sygnatury antropogeniczne. To jest punkt wyjścia do próby oceny tworzenia się lodu w odniesieniu do zmian klimatycznych.

Mierzenie razem
Cziczo i rosnąca społeczność naukowców zajmujących się atmosferą mają nadzieję, że określenie podstaw formowania się chmur rozwiewa wszelkie pozostałe wątpliwości dotyczące globalnego ocieplenia. Oprócz prac eksperymentalnych opracowują modele klimatyczne uwzględniające formowanie się chmur. Zebrane przez nich dane pomogą uczynić takie modele znacznie bardziej precyzyjnymi, chociaż istnieją poważne wyzwania do pokonania: większość modeli symuluje klimat, dzieląc kulę ziemską na siatkę, uśredniając dane pogodowe na kwadratach, które w najlepszej rozdzielczości mają 100 kilometrów kwadratowych. Uwzględnienie danych z chmur na poziomie drobnych aerozoli wymagałoby ogromnej mocy obliczeniowej.

Chien Wang, starszy naukowiec w Centrum Nauki o Globalnych Zmianach MIT, pracuje z Cziczo, aby znaleźć sposoby na dopasowanie tych drobnocząsteczkowych danych do wielkoskalowych modeli klimatycznych. Wang mówi, że prace laboratoryjne i terenowe Dana mogą oczywiście pomóc nam ulepszyć nasz model, aby lepiej symulować powiązanie między aerozolami i chmurami lodowymi oraz ich skutki klimatyczne. Bardzo się cieszę, że możemy go mieć w domu.

Praca Cziczo może też pomóc w pokonaniu innej poważnej przeszkody w terenie. Badacze z odmiennych grup mają tendencję do budowania własnych komór chmurowych, a pomiary z jednej mogą nie być porównywalne z pomiarami z innej. Instrument, który Cziczo pomógł skonstruować, został niedawno licencjonowany przez firmę w Kolorado, która produkuje go jako pierwszą komercyjną komorę z chmurą lodową. Model numer 001 zajmuje honorowe miejsce na swoim stanowisku laboratoryjnym MIT, a inni badacze złożyli zamówienia na więcej jednostek.

Wracając do swojego biura MIT, Cziczo wygląda przez okno, szeroki widok na panoramę Bostonu i kilka zabłąkanych chmur powyżej. Od czasu do czasu robi zdjęcia formacji chmur lub ciekawych smug kondensacyjnych z przelatujących samolotów i prosi swoich uczniów o zidentyfikowanie rodzaju chmury i miejsca, w którym mogła się uformować. To ćwiczenie zrodzone zarówno z podziwu, jak i naukowej ciekawości.

Jako dziecko zawsze fascynowały mnie chmury, latanie i tym podobne rzeczy, wspomina. Myślę, że teraz czerpię z tego więcej radości, ponieważ trochę to rozumiem i wciąż staram się wyglądać na zewnątrz i rozgryźć różne rzeczy.

Oprócz badania chmur w ziemskiej atmosferze, Dan Cziczo bada te, które mogą tworzyć się na Marsie. Chociaż marsjańska atmosfera jest zbyt cienka, aby podtrzymywać życie, ostatnie zdjęcia z sondy Mars Reconnaissance Orbiter pokazały śnieg z dwutlenku węgla wytrącany z chmur.

Aby dowiedzieć się, co może formować te chmury, które dla Czicza wyglądały jak diamentowy pył, on i jego uczniowie hodują w laboratorium chmury w warunkach marsjańskich. Niedawno odbyli podróż do największej komory chmurowej na świecie, zakładu Aerosol Interaction and Dynamics in the Atmosphere (AIDA) w Karlsruhe w Niemczech – starego, przerobionego reaktora jądrowego, którego rdzeń został zastąpiony trzykondygnacyjną komorą . Naukowcy z całego świata wykorzystują masywną komorę do obserwacji efektów wielkoskalowych, których nie mogli zobaczyć w modelach stołowych.

Zespół Cziczo skontaktował się z NASA w sprawie próbek pyłu o podobnym składzie do pyłu na Marsie (w rzeczywistości został on pobrany z pustyń USA) i umieścił je w komorze mgłowej, dostosowując jej temperaturę i wilgotność względną do poziomów zaobserwowanych na Marsie. Eksperyment z powodzeniem utworzył chmurę wodno-lodową.

Cziczo ma nadzieję kontynuować tę nową pozaziemską gałąź swoich badań, która, jak twierdzi, została częściowo zainspirowana zdjęciami atmosferycznymi wykonanymi przez Mars Reconnaissance Orbiter i NASA Feniks lądownik.

Widać kryształki lodu wypadające z atmosfery, mówi. I to zabawne, bo kiedy pierwszy raz zobaczyłem te obrazy, wyglądały jak chmury w ziemskiej atmosferze.

- JC

ukryć