Облака живые на треть

ТЕКСТ: Владимир Грамм

ФОТО: K.Pratt

Количество туч на небе на треть определяют биологические частицы – бактерии, споры грибов и прочие микроскопические клетки. Это второй по важности фактор образования облаков, и до сих пор он не поддавался должному учёту.

Если бы воздух над материками и океанами был идеально чистым, туч в нём было бы куда меньше, а осадки до поверхности нашей планеты почти не долетали бы. Дело в том, что даже при температуре ниже нуля по Цельсию и 100-процентной влажности крохотные кристаллики льда, с которых начинается образование большинства облаков и осадков, не появлялись бы. Чтобы растворённая в воздухе вода начала кристаллизоваться сама по себе, нужны температуры ниже –40^o C, которые летом в средних широтах наблюдаются лишь на высотах больше 10 км над землёй.

К счастью для садоводов и огородников, дождь идёт и летом, и с гораздо меньших высот – и всё благодаря аэрозолям. Крохотные песчинки, которые ветер поднимает в пустынях, частички сажи от горящих лесов и многочисленных заводских труб, кристаллики соли, подхваченные с гребней океанских волн – все они с готовностью становятся зародышевыми центрами кристаллизации воды в облаках. Как недавно показали геофизики из Германии, США и Швейцарии, неожиданную и непропорционально значительную роль в этом процессе играют крохотные включения свинца в составе некоторых из этих частиц.

Существуют ещё два источника таких зародышевых концентрация – космические лучи и биологические частицы.

С первыми ситуация очень неясная. Нет сомнений, что атомы и молекулы, которые ионизуют эти высокоэнергичные элементарные частицы, действительно становятся центрами конденсации. Существуют даже теории, согласно которым переменность потока космических лучей из-за активности Солнца и движения Солнечной системы по Галактике может быть определяющим фактором в долговременном изменении климата Земли. Однако есть и противоположная точка зрения, и разрешить спор эксперимент пока не в состоянии.

В противоположность им роль биологических частиц – бактерий, спор грибов, вирусов, одноклеточных водорослей и так далее – в последнее время получает всеобщее признание. Совсем недавно учёные убедительно доказали, что свежий снег, который выпадает хоть в Альпах, хоть в Антарктиде, хоть в Америке, содержит непропорционально много биочастиц, которые и позволяют снежинкам образовывать при температурах выше –10 по Цельсию. Более того, в каком-то смысле снегом управляет именно жизнь, а не просто биологические частицы: прогрев талой воды всего лишь до +50^o C, который приводит к разрушению естественной структуры биологических молекул, не разрушая самих частиц, резко снижает способности последних к «снеготворению».

Однако все эти наблюдения касаются лишь уже выпавших осадков. Чтобы доказать, что биочастицы играют такую же важную роль и в образовании самих облаков, аспирантка Университета Калифорнии в Сан-Диего Керри Пратт вместе со своими научными руководителями Кимберли Пратер и Полом Демоттом, а также полудюжиной других коллег создала специальный масс-спектрометр A-ATOFMS. Он может на лету исследовать частицы микрометровых и субмикрометровых размером на предмет их химического состава и уймы других характеристик.

Инструмент учёные поставили на переоборудованный под научный нужды военно-транспортный самолёт C-130 «Геркулес», и 7 ноября 2007 года, в день 90-й годовщины Октябрьской революции, пообедав, поднялись в воздух над американским штатом Вайоминг. Завидев с борта подходящее волновое облако (они образуются в стоячих волнах за грядами гор), учёные ринулись прямо в его центр.

18 минут лётных измерений показали, что биочастицы – второй по значимости фактор образования облаков.

Примерно треть (от 23% до 43%) всех центров конденсации оказались, судя по химическому составу, частицами биологического происхождения. На первом месте, разумеется, были минеральные частицы, которые нашлись в каждом втором зародыше конденсации. Оставшуюся 1/6 составляли кристаллики морской соли (по большей части NaCl и KCl, всего около 9%), частички сажи (4%) и органические соединения, в состав которых входит углерод и азот (4% в среднем). Работа учёных принята к публикации в Nature Geoscience.

Эти результаты очень важны при попытках просчитать последствия изменения климата.

Влияние биологических частиц на эти процессы многие специалисты по моделированию прежде предпочитали либо совсем не учитывать, либо учитывать в очень грубом приближении – просто потому, что полноценного понимания, какова роль биочастиц, не было. Теперь предстоит ещё немало работы, чтобы выяснить, как изменение температур и характера перемешивания воздушных масс на Земле будет влиять на количество бактерий, спор и прочих биочастиц в воздухе. А вовсе не учитывать их роль должно стать откровенным моветоном.

Попутно Пратт и её коллеги выяснили интересную деталь. Большая часть частиц (что «живых», что минеральных), благодаря которым 7 ноября над США возникли облака, прилетели из-за океана. Сверка ионных профилей почвы по всей планете с характером воздушных течений в предыдущие дни показала, что они поднялись в воздух в степях Монголии и Китая и примерно за неделю добрались до США.

Облака рождаются свинцом

ТЕКСТ: Артём Тунцов

ФОТО: Thinkstock/East News

Крохотные частички соединений свинца, которыми человечество заполнило атмосферу, – мощнейший катализатор образования облаков. До половины всех кристалликов льда, из которых состоят небесные «перья», содержат свинец, и в целом этот элемент скорее студит, чем греет планету.

Когда тучи называют «свинцовыми», в виду имеют не химический состав облаков, а их внешний вид, цвет и даже какую-то скрытую в них угрозу, готовую вот-вот обрушиться на наши головы. Однако, как выяснили геофизики из США, Швейцарии и Германии, в этой метафоре немножко больше буквального смысла, чем кажется поэтам.

Свинец – ключевой элемент в образовании зародышей тех крохотных водных частичек, которые и составляют облака.

Свинцовые наночастички входят в состав от 30% до 50% таких зародышей в атмосфере – непропорционально много в сравнении с общим количеством свинца в атмосфере. И свинец по-настоящему активно помогает образованию облаков: он повышает температуру и понижает относительную влажность, необходимые для превращения влажного воздуха в облако.

Правда, речь всё-таки идёт не о тех свинцовых тучах в нижней части тропосферы, что пугали поэтов несколько тысяч лет. Эти тучи по большей части состоят из мелких капелек воды. Свинец же причастен к образованию облаков из крохотных кристалликов льда – в первую очередь перистых облаков, циррусов, которые парят над землёй на высоте в 5–10 км.

Учёные под руководством Даниэля Цицо из американской Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Института атмосферы и климатологии при знаменитом швейцарском Федеральном техническом университете в Цюрихе (ETH) провели серию из трёх экспериментов. В них геофизики доказали как способность свинца значительно усиливать активность центров кристаллизации в облаках, так и то, что эти способности свинец активно реализует в земной атмосфере. Соответствующая работа принята к публикации в Nature Geoscience.

Для начала Цицо и его коллеги отправились на вершину горы Сторм-Пик в Скалистых горах, на границе американских штатов Колорадо и Вайоминг. Здесь, на высоте около 3200 метров, они просто-напросто отбирали пробы «естественного» воздуха и закачивали его в своего рода холодильник, только холодильник исследовательский, в котором можно было подробнейшим образом регулировать и контролировать все параметры образования облаков.

Половина крохотных кристаллов льда, образовавшихся при симуляции условий в верхних слоях тропосферы, содержала значительную долю свинца, в разы превосходящее его среднее содержание в атмосфере.

Примерно такую же картину показали и измерения состава микрокристаллов льда, входящих в состав натуральных облаков, пойманных на исследовательской станции Юнгфрауйох в Швейцарских Альпах, на высоте около 3600 метров. До половины из них содержали частички свинца, входящего, вероятно, в самые разнообразные химические соединения. И такое содержание тоже непропорционально велико: свинец входит в состав лишь 8% минеральных частичек, плавающих в воздухе над Альпами, и в 44% частичек, вокруг которых кристаллизовалась вода!

Впрочем, эти данные свидетельствуют в пользу причастности свинца к образованию перистых облаков лишь косвенным образом. Кто знает, может, просто уже сформировавшиеся ледяные частички с большим удовольствием впитывают свинец из атмосферы, а может, пылевые частички, которые являются центрами конденсации, просто испытывают какую-то дополнительную тягу к свинцовым соединениям.

Чтобы кардинально решить этот вопрос, учёные воспользовались настоящей «фабрикой облаков» AIDA в германском исследовательском центре в Карлсруэ. Это примерно такой же холодильник, что и на Сторм-Пик, только куда более навороченный и стационарный, высотой с трёхэтажный дом, с объёмом самой облачной камеры в 84 кубических метра. Это в 280 раз больше объёма стандартного 300-литрового холодильника.

Цицо отправил своим германским коллегам микрочастицы глины (каолинита), изготовленные в одной из аризонских лабораторий, с добавлением свинцовых наночастичек и без оного. Как проходила транспортировка аэрозолей, авторы работы, к сожалению, не уточняют.

Результаты экспериментов на облачной фабрике совершенно чётко подтвердили подозрения учёных. Свинец активно помогает появлению облаков.

При наличии в частичках свинцовых включений, температура, необходимая для кристаллизации, могла повыситься на десятки градусов, потребная при –40 по Цельсию относительная влажность – со 150% до 110% (воздух должен быть пересыщен водой, чтобы образовались облака, но одного этого мало). При том сами по себе свинцовые соединения (использовался сульфат свинца PbSO₄) были не очень хорошими катализаторами, но на поверхности глиняных микрочастиц их активность возрастала многократно. Почему так – Цицо и его коллеги пока не могут сказать уверенно.

Что можно сказать уверенно, так это то, что большая часть свинцовых частичек в воздухе – результат человеческой деятельности.

Судя по пузырькам воздуха, извлечённым из антарктических ледовых кернов, ещё несколько веков назад содержание свинцовых аэрозолей в воздухе было в 100 раз меньшим против современного уровня. С началом промышленной эпохи концентрация свинцовых наночастичек непрерывно растёт, и их активно подхватывают более крупные минеральные микрочастицы, плавающие в атмосфере.

Антропогенные свинцовые включения в кристаллике льда, пойманном на станции Юнгфрауйох в Швейцарских Альпах. // Cziczo et al., 2009 Nature Geoscience

Пару веков основным источником свинца было сжигание угля в печах фабрик и заводов, а в XX веке на первую строчку вышел транспорт – автомобильный и воздушный, использующий свинец в качестве добавки к бензину. С конца 1970-х до 1990-х, правда, от этих добавок в автомобильном топливе избавились почти по всему миру (они, к примеру, напрочь запрещены стандартом Euro-2), и сейчас выбросы свинца автотранспортом сократились в десятки раз.

Однако их продолжают использовать для авиационного бензина – того, на котором летает малая и средняя авиация. А её полёты проходят как раз на тех высотах, где и образуются перистые облака.

Поэтому учёные уверены, что эти выбросы влияют и на образование облаков, и на климат.

Правда, в какую сторону – сказать сложно. С одной стороны, перистые облака могут частично отражать солнечный свет, способствуя таким образом охлаждению планеты. С другой, они могут удерживать тепло, которое без них могло бы уйти в космос. Какой эффект выигрывает – зависит и от плотности облаков, и от высоты, на которой они образуются.

Согласно климатическому моделированию, которое, признают авторы, не самое сильное место их работы, суммарный эффект меняет знак в зависимости от доли аэрозольных частиц, в состав которых входит свинец. Притом смена знака происходит как раз в районе доли порядка 10%, которая получается из наблюдений. И в любом случае свинец добавляет перистых облаков в средних широтах Северного полушария.

Если доля свинца меньше 10%, он чуть-чуть «греет» планету. Если доля больше 10%, то свинец в целом охлаждает атмосферу: при наличии свинцовых включений в каждой микрочастице – примерно на 1 Вт с каждого квадратного метра. Это около десятой доли процента от того потока энергии, что падает на нас от Солнца, но вполне заметная величина в масштабах всей планеты, особенно учитывая очень тонкую настройку планетарного теплообмена.

Авторы склоняются к мнению, что антропогенный свинец всё-таки охлаждает атмосферу, противодействуя действию антропогенных же парниковых газов.

Правда, радоваться нечему: ведь получается, что мы недооцениваем вклад последних в потепление. А от свинцовых выбросов всё равно придётся избавляться, если мы не хотим, чтобы наша атмосфера становилась всё более ядовитой.

Снегом управляет жизнь

ТЕКСТ: Пётр Смирнов

ФОТО: Comstock/East News

Живые организмы научились управлять погодой за миллионы лет до человека, и доступным это оказалось только самым примитивным из них – бактериям. Оказывается, при образовании снежинок именно они играют ключевую роль, выступая в роли активных центров кристаллизации в облаках.

То, что ученые иногда ведут себя, как дети, доказали французские и американские биологи, весь последний год радовавшиеся снегу не меньше маленьких любителей горок, игры в снежки и прочих зимних развлечений. Правда, взрослые оказались порядочными привередами – для своих научных целей они собирали только свежевыпавший снег в Америке, Антарктике и Европе.

Это весёлое занятие было необходимой частью очередной работы, посвященной формированию снежинок в облаках. На сегодняшний день считается, что зарождение этих маленьких чудес света происходит при охлаждении вокруг «активного центра», зародыша конденсации, представленного любой мелкой частицей органического или неорганического происхождения. В отсутствии таких частиц вода замерзает лишь при очень низких температурах (ниже -40^oC). Однако центры конденсации собирают вокруг себя молекулы воды, превращая их в кристаллы льда и при более высоких температурах. Процесс этот настолько уникален, что считается невозможным найти две одинаковые снежинки.

Снежинки, увеличенные при помощи сканирующего электронного микроскопа //wikimedia.org

Результаты работы, опубликованной в последнем номере Science, ещё раз объединили органическую и неорганическую жизнь на нашей планете – большую часть таких «центров» самоорганизации, по мнению ученых, представляют биополимеры. Такая идея была выдвинута ещё 40 лет назад, но невозможность доказать ключевую роль биополимеров и бактерий в снегообразовании не позволила развить эту мысль.

На этот раз собранный в максимально стерильных условиях снег ученые растопили в герметичной посуде, а затем начали постепенно замораживать. В таких случаях лёдообразование (кристаллизация) начинается вокруг активных центров, аналогичных таковым в тучах и облаках.

Таких биологических частиц, стимулирующих кристаллизацию при температурах , больше всего оказалось в США и Франции – около 110 на литр воды, а меньше всего в Антарктике – в среднем лишь 4 штуки на литр.

Такие различия в концентрации активных центров сказались и на температуре снегообразования – европейские образцы начинали замерзать уже при быстром охлаждении до -4…-7^oC, тогда как антарктические требовалось доводить до -9^oC.

Общее же число различных частиц в литре талой воды было от 1,1*10⁷ до 3,9*10⁹ в разных образцах, из них примерно десятая часть – биополимеры и прочая органика. Живых клеток – точнее, клеток размером от 0,3 до 15 микрон, в которых присутствовала ДНК, – оказалось ещё меньше, в среднем около 0,1% от числа частиц любой природы (от 1,5*10⁴ до 5,4*10⁶ на литр).

Однако, как оказалось, именно они являются основной причиной образования снежинок.

Чтобы выяснить это, учёные прогрели талую воду. Нагревание выше 50^oC приводит к потере структуры биологических молекул, однако никак не влияет на минеральные частицы. Как оказалось, такая процедура практически полностью лишает такую воду способности замерзать при температурах выше -10^oC. В прогретой, а затем охлаждённой воде центров концентрации льда оказалось как минимум на 70% меньше, чем в исходной, а в некоторых образцах они исчезали полностью!

Похожий, хотя и чуть менее выраженный, эффект дезактивации наблюдался при обработке талой воды лизозимом – ферментом, содержащимся в слюне и разрушающим полисахариды клеточной стенки бактерий.

Даже такого небольшого количества оказалось достаточно для многочисленных гипотез о круговороте живого в природе и взаимодействии живого и неживого.

Во-первых, те же самые бактерии заинтересованы в быстром замораживании при относительно высоких температурах. Эти кристаллы льда – троянский конь, разрушающий клеточную стенку изнутри и делающий доступным содержимое для «плотоядных» прокариот.

Во-вторых, чем быстрее сформируется снег, тем быстрей выпадут осадки, а следовательно – бактерии раньше вернутся на землю, которая куда богаче питательными веществами, да и потеплей, что существенно для процессов деления.

Так что теория Вернадского о биосфере как о «взаимодействии» живых существ с неорганической природой получила совершенно неожиданное развитие.

Справедливости ради стоит отметить, что все это остается лишь гипотезами, поскольку образцы были собраны с поверхности земли и могли «обогатиться органикой» уже в нижних слоях атмосферы. Хотя даже в бедной жизнью Антарктике органики оказалось довольно много.

Собирать кусочки облаков для подтверждения результатов работы достаточно затруднительно – основные облака формируются на высоте в несколько километров. К тому же, чтобы выделить из него литр воды, пришлось бы доставить в лабораторию от нескольких сот до тысяч кубометров типичного облака, что выглядит мало реальным.

Но главное – ученые получили новое подтверждение не просто приспособления, а управления природными процессами со стороны живых организмов. Считалось, что кроме человечества, едва-едва начинающего учиться управлять погодой, на это никто не способен.