Badania z wykorzystaniem uczenia maszynowego dostarczają nowych wniosków o wpływie aerozoli na chmury
W atmosferze ziemskiej występuje wiele drobnych zawieszonych cząsteczek, które nazywamy aerozolami. Ich obecność wiąże się z pewnym wpływem na klimat. Aerozole mogą powstawać w wyniku procesów naturalnych, takich jak erupcje wulkanów czy pożary lasów, jak również w wyniku spalania paliw kopalnych w celach związanych z transportem, lotnictwem oraz produkcją dóbr w fabrykach. Zwiększenie ich stężenia w atmosferze może mieć znaczący wpływ na przebieg zmiany klimatu ze względu na fakt, że odgrywają one ważną rolę w procesie powstawania chmur. Dzięki temu, że chmury odbijają światło słoneczne, przyczyniają się do chłodzenia naszej planety. Do tej pory naukowcy mieli jednak trudności z precyzyjnym określeniem wpływu zmian stężeń aerozoli na proces powstawania chmur, przez co prognozy dotyczące zmiany klimatu były obarczone dużym stopniem niepewności. Jedną z przyczyn tego stanu rzeczy był wpływ innych zmiennych meteorologicznych, które utrudniały wyodrębnienie danych dotyczących oddziaływań między aerozolem i chmurami. Mimo to badaczom finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu CONSTRAIN udało się znaleźć sposób na badanie takich interakcji w czasie erupcji wulkanu na Islandii w 2014 roku. Wyniki ich badań zostały opublikowane na łamach czasopisma naukowego „Nature Geoscience”. W wyniku erupcji na Islandii powstał ogromny pióropusz aerozolu. „Powstanie olbrzymiego pióropusza aerozolu w niemal dziewiczym środowisku stanowiło doskonałą okazję do oceny zmian w zachmurzeniu w reakcji na zmienne stężenie aerozolu, czyli wpływ aerozolu na chmury w ramach doświadczenia w warunkach naturalnych”, wyjaśnia dr Ying Chen, główny autor badania ze szwajcarskiego Instytutu im. Paula Scherrera w wypowiedzi zacytowanej w informacji prasowej opublikowanej na stronie internetowej Uniwersytetu w Exeter. Dr Chen przeprowadził badania jako pracownik naukowy tej brytyjskiej uczelni.
Większe zachmurzenie
„Z przeprowadzonych analiz wynika, że aerozole powstałe w wyniku erupcji doprowadziły do zwiększenia zachmurzenia o około 10 %”, dodaje badacz. „Na podstawie tych ustaleń dochodzimy do wniosku, że blisko 60 % efektu chłodzenia klimatu w wyniku oddziaływań między chmurami i aerozolem jest spowodowane przez większe zachmurzenie”. W wyniku zdarzeń, które powodują zanieczyszczenie powietrza, takich jak na przykład erupcje wulkanów, znacząco rośnie stężenie cząsteczek aerozoli w powietrzu. Ze względu na to, że wokół cząstek aerozolu zbierają się krople wody, ich wyższe stężenie sprzyja powstawaniu kropel tworzących chmury. Tego rodzaju krople są jednak zwykle mniejsze i bardziej liczne, w wyniku czego chmury powstające na skutek zanieczyszczenia powietrza są jaśniejsze niż zwykle, rozpraszają więcej światła i mocniej odbijają promienie słoneczne. Wcześniejsze badania wskazywały, że to rozjaśnienie chmur odpowiadało za większość efektu chłodzenia spowodowanego przez oddziaływanie między chmurami i aerozolem, natomiast wnioski z najnowszych badań są nieco inne: „Aerozole wulkaniczne powodują rozjaśnianie chmur w wyniku zmniejszenia wielkości kropel wody, ale to zjawisko miało jednak znacznie mniejszy wpływ na odbijanie promieni słonecznych niż zmiany zachmurzenia”, zauważa dr Chen. Wnioski z analiz badacze wyciągnęli na podstawie podejścia opartego na uczeniu maszynowym, wykorzystującego obrazowanie satelitarne. Prof. Jim Haywood, pracownik naukowy brytyjskiego Met Office, jednego z partnerów projektu CONSTRAIN, dodał: „Prace przeprowadzone w ramach tego projektu są zdecydowanie wyjątkowe ze względu na fakt, że nie opierają się na modelach – badacze wykorzystali najnowocześniejsze techniki uczenia maszynowego do analizy obserwacji satelitarnych, aby symulować stan i wygląd chmur w sytuacji braku aerozoli. Na pierwszy rzut oka można dostrzec wyraźne różnice między prognozowanymi i obserwowanymi właściwościami chmur. Wnioski z tych analiz mogą znaleźć zastosowanie w ocenie wpływu aerozoli i chmur na klimat”. Wyniki badania stanowią unikalny zbiór danych obserwacyjnych dotyczących efektu chłodzącego aerozoli, dzięki którym naukowcy będą w stanie usprawnić modele klimatyczne i zwiększyć ich dokładność. Dzięki temu badacze skupieni wokół projektu CONSTRAIN (Constraining uncertainty of multi decadal climate projections) mogą realizować jego główny cel, jakim jest zwiększanie dokładności prognoz klimatycznych na najbliższe 20–50 lat. Więcej informacji: strona projektu CONSTRAIN
Słowa kluczowe
CONSTRAIN, aerozol, cząsteczka, chmura, klimat, erupcja, oddziaływanie chmura-aerozol
