Badanie pyłu wulkanicznego może poprawić jakość modeli klimatycznych
Wiemy, że formowanie się lodu wpływa znacząco na właściwości i czas trwania chmur, jednak w dalszym ciągu zjawisko to, pośrednio kształtujące klimat na Ziemi, pozostaje w znacznym stopniu niezbadane. Krople wody w atmosferze mogą osiągnąć temperaturę nawet -37 °C, zanim zamarzną. Jednak w obecności cząstek stałych unoszących się w powietrzu, tak zwanych cząsteczek nukleujących lód, krople przechłodzonej wody mogą zamarzać w wyższych temperaturach, wynoszących od -37 do 0 °C. Elena Maters, pracownica naukowa Uniwersytetu Cambridge w Zjednoczonym Królestwie, której badania zostały częściowo sfinansowane w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie” wyjaśnia: „Lepsze zrozumienie zachowań unoszących się w atmosferze cząstek jest niezbędne do dokładnego odwzorowania mechanizmu formowania się lodu w modelach komputerowych. To z kolei ma zasadnicze znaczenie dla lepszego zrozumienia układów atmosferycznych i klimatycznych”. Powszechnie uważa się, że jednym z najważniejszych rodzajów cząstek nukleujących lód jest pył pustynny unoszony przez wiatr. Jednak mimo zwiększenia w ostatnich latach uwagi, jaką poświęcamy badaniu wpływu pyłu wulkanicznego na formowanie się lodu, badania terenowe i laboratoryjne prowadzą do sprzecznych wyników. Elena Maters, obecnie stypendystka Leverhulme na Uniwersytecie Cambridge, mówi: „Nie wiadomo, co jest przyczyną tak dużych różnic obserwowanych w procesach nukleacji lodu wokół drobinek pyłu. Może mieć to związek ze składem chemicznym popiołu, stopniem krystaliczności lub mineralogią cząstek stałych. Do tej pory jednak nie prowadzono w tym zakresie systematycznych badań”.
Jak zachowuje się pył?
Nadrzędnym celem projektu INoVA koordynowanego przez Uniwersytet w Leeds w Zjednoczonym Królestwie było zrozumienie czynnika determinującego zjawiska nukleacji lodu w pyle wulkanicznym. Badania uwzględniały sprawdzenie, czy oddziaływania pyłu z gazami i kondensatami w pióropuszu formowanym po erupcji oraz w atmosferze może wpływać na występowanie tych zjawisk. Jak zauważyła badaczka: „Sproszkowane próbki były pozyskiwane i obrabiane przy pomocy zróżnicowanych technik, podobnie w różny sposób analizowaliśmy ich właściwości i mierzyliśmy stopień zarodkowania lodu”. Doświadczenia prowadzone na różnych próbkach zawierających pył i i szkło pozwoliły badaczce na określenie wpływu składu chemicznego i mineralogii na zjawiska nukleacji lodu. Jak dodaje badaczka: „Prowadziliśmy też symulacje laboratoryjne procesów zachodzących podczas erupcji i w atmosferze. Pozwoliły nam one zbadać zmiany dotyczące zjawisk nukleacji lodu zachodzące w wyniku zmian warunków cieplnych i chemicznych, jakie następują w czasie przenoszenia pyłu przez pióropusz powstały po erupcji i przez atmosferę”.
Dokładne modele klimatyczne
Głównym rezultatem badań prowadzonych w ramach projektu jest wniosek, że pył sprzyja nukleacji lodu w dużo większym stopniu niż szkło, co sugeruje, że jego krystaliczne elementy odgrywają w tym procesie istotną rolę. Jak twierdzi badaczka: „Najbardziej aktywne pod kątem krystalizacji lodu próbki zawierały skalenie alkaliczne, plagioklazy i pirokseny, co pozwoliło nam postawić hipotezę, że erupcja magmy felzytowej do magmy pośredniej może powodować wytwarzanie pyłu aktywnego lodotwórczo”. W ramach projektu stwierdzono także, że aktywność pyłu wulkanicznego powodującego zjawiska nukleacji lodu może wzrastać lub spadać w wyniku różnych oddziaływań zachodzących między pyłem a gazem oraz pyłem a kondensatem, na przykład wodą, dwutlenkiem siarki czy kwasem siarkowym. Jak zaznacza badaczka: „Szczególnie zaskakujący był wzrost aktywności nukleacyjnej obserwowany po wystawieniu pyłu na działanie dwutlenku siarki w wysokich temperaturach”. Informacje, jakie udało się zebrać na temat pyłu, w szczególności te dotyczące jego właściwości jako cząstek zarodkujących lód, można włączyć do meteorologicznych i klimatycznych modeli komputerowych. Otrzymane w ten sposób wyniki mogą okazać się cenne dla centrów doradczych ds. pyłu wulkanicznego oraz ośrodków meteorologicznych. Część wyników, jakie uzyskała Maters, została już opublikowana w czasopiśmie naukowym „Atmospheric Chemistry and Physics”, a trzy kolejne publikacje są w przygotowaniu. Według badaczki: „Inne działania informacyjne, w tym otwarta dyskusja dotycząca komunikacji w zakresie zagrożeń spowodowanych aktywnością wulkaniczną, dały nam możliwość dzielenia się wiedzą. Publikacja wszystkich zebranych materiałów da podstawy do zbudowania nowego poglądu na temat zarodkowania lodu wokół drobinek pyłu wulkanicznego i otworzy nam drogę do prowadzenia w przyszłości licznych ekscytujących badań w tym zakresie”.
Słowa kluczowe
INoVA, wulkaniczny, pogoda, klimat, pył, lód, atmosfera, ziemia, zarodkowanie, meteorologiczny, felzytowy, magma, INA
