Μια νέα διεθνής μελέτη από το πείραμα CERN CLOUD, με τη συμμετοχή ερευνητών του Ινστιτούτου Κύπρου (CyI) και του Πανεπιστημίου του Ελσίνκι, εντόπισε μια φυσική πηγή σωματιδίων που σχηματίζουν νέφη, η οποία μπορεί να εξηγήσει πώς σχηματίζονται τα σύννεφα πάνω από ωκεανούς και να βελτιώσει τις προβλέψεις για τη μελλοντική κλιματική αλλαγή. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό nature, υποδηλώνουν ότι οι φυσικές θαλάσσιες εκπομπές μπορεί να δημιουργούν σωματίδια που σχηματίζουν νέφη, συμβάλλοντας στην εξήγηση μιας μακροχρόνιας αναντιστοιχίας μεταξύ των κλιματικών μοντέλων και των παρατηρήσεων στους ωκεανούς της Γης.
Η μελέτη, με επικεφαλής τη Δρ. Ρίμα Μπααλμπάκι, αποκαλύπτει ότι το μεθανοσουλφονικό οξύ (MSA) - μια ένωση που παράγεται στην ατμόσφαιρα από αέρια που εκπέμπονται από μικροσκοπικούς θαλάσσιους οργανισμούς - παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο στον σχηματισμό των ατμοσφαιρικών σωματιδίων από ό,τι είχε αναγνωριστεί προηγουμένως. Αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια χρησιμεύουν ως οι πυρήνες από τους οποίους αναπτύσσονται οι σταγόνες των νεφών. Επειδή τα σύννεφα αντανακλούν ένα μέρος της ενέργειας του ήλιου πίσω στο διάστημα, βοηθούν στην ψύξη του πλανήτη. Η κατανόηση του πώς σχηματίζονται αυτά τα σωματίδια είναι επομένως απαραίτητη για την ανακατασκευή του προβιομηχανικού κλίματος της Γης και τη βελτίωση των προβλέψεων για τη μελλοντική κλιματική αλλαγή.
Ένα κομμάτι που λείπει από το παζλ του κλίματος
Επί δεκαετίες, οι επιστήμονες θεωρούσαν το θειικό οξύ ως τον κύριο παράγοντα σχηματισμού νέων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Το θειικό οξύ παράγεται από αέρια που περιέχουν θείο και εκπέμπονται τόσο φυσικά όσο και από ανθρώπινες δραστηριότητες. Ωστόσο, τα κλιματικά μοντέλα υποεκτιμούν συστηματικά τον αριθμό των σωματιδίων που σχηματίζουν νέφη σε τεράστιες περιοχές των ωκεανών του κόσμου, ιδιαίτερα γύρω από την Ανταρκτική. Αυτή η απόκλιση παραμένει μια από τις σημαντικότερες αβεβαιότητες στην επιστήμη του κλίματος. Τα νέα αποτελέσματα του CLOUD υποδηλώνουν ότι το MSA —ένα άλλο μόριο που περιέχει θείο— μπορεί να παρέχει την ελλείπουσα εξήγηση.
Από το πλαγκτόν των ωκεανών στα σύννεφα
Η διαδικασία ξεκινά όταν το μικροσκοπικό θαλάσσιο φυτοπλαγκτόν απελευθερώνει ένα αέριο που ονομάζεται διμεθυλοσουλφίδιο (DMS), το οποίο ανεβαίνει στην ατμόσφαιρα και υφίσταται χημικές αντιδράσεις. Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι αυτές οι αντιδράσεις παράγουν τόσο θειικό οξύ όσο και MSA. Αλλά μέχρι τώρα, η σημασία του MSA στον σχηματισμό σωματιδίων παρέμενε ασαφής. Χρησιμοποιώντας τον εξαιρετικά καθαρό θάλαμο CLOUD στο CERN, οι ερευνητές αναδημιούργησαν ατμοσφαιρικές συνθήκες που κυμαίνονταν από ήπιες θερμοκρασίες έως το ακραίο κρύο που παρατηρείται ψηλά στην ανώτερη ατμόσφαιρα και πάνω από τους πολικούς ωκεανούς. Στη συνέχεια, μέτρησαν πώς το θειικό οξύ και το MSA αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν νέα σωματίδια. Μια εκπληκτικά ισχυρή πηγή σωματιδίων Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι το MSA είναι εξίσου αποτελεσματικό με το θειικό οξύ στη δημιουργία ατμοσφαιρικών σωματιδίων σε θερμοκρασίες κάτω των -10 °C όταν υπάρχει αμμωνία στο περιβάλλον. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι δύο ενώσεις συνεργάζονται, παράγοντας πολύ περισσότερα σωματίδια από ό,τι μπορεί η καθεμία μόνη της. Η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι η MSA βοηθά τα νεοσχηματισμένα σωματίδια να αναπτύσσονται γρήγορα, αυξάνοντας τις πιθανότητές τους να επιβιώσουν για αρκετό χρόνο ώστε να γίνουν πυρήνες συμπύκνωσης νεφών - οι μικροσκοπικοί αερομεταφερόμενοι σπόροι που απαιτούνται για να σχηματιστούν τα σταγονίδια νεφών.
«Για περισσότερες από τέσσερις δεκαετίες, οι επιστήμονες υποψιάζονταν ότι η MSA βοηθούσε στη δημιουργία ατμοσφαιρικών σωματιδίων, αλλά η απόδειξη αυτού ήταν εξαιρετικά δύσκολη επειδή απαντάται σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις - λιγότερο από ένα μόριο ανα κάθε τρισεκατομμύριο μόρια αέρα», λέει η Δρ . Rima Baalbaki. «Χρησιμοποιώντας τον μοναδικό θάλαμο CLOUD στο CERN, καταφέραμε να αναδημιουργήσουμε αυτές τις συνθήκες στο εργαστήριο και να δείξουμε ότι αυτό το παραβλεπόμενο θαλάσσιο μόριο μπορεί να ενισχύσει δραματικά τον σχηματισμό σωματιδίων που σχηματίζουν σύννεφα πάνω από τους ωκεανούς».
Επιπτώσεις για τη μελλοντική κλιματική αλλαγή
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ωκεανοί της Γης πιθανότατα παρήγαγαν περισσότερα σωματίδια που σχηματίζουν νέφη στην προβιομηχανική ατμόσφαιρα από ό,τι είχαν εκτιμήσει οι επιστήμονες. Αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει τους υπολογισμούς για το πόσο έντονα η ανθρωπογενής ρύπανση έχει αλλάξει το κλίμα και μπορεί να βελτιώσει τις προβλέψεις για τη μελλοντική θέρμανση.
Καθώς οι κανονισμοί για την ποιότητα του αέρα συνεχίζουν να μειώνουν τις εκπομπές διοξειδίου του θείου από τη βιομηχανία και τη ναυτιλία, τα ανθρωπογενή σωματίδια αερολυμάτων μειώνονται παγκοσμίως. Ενώ αυτό ωφελεί τη δημόσια υγεία, απομακρύνει επίσης σωματίδια που βοηθούν στην ψύξη του πλανήτη. Τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν ότι τα φυσικά θαλάσσια οικοσυστήματα μπορεί να διαδραματίζουν μεγαλύτερο ρόλο στη ρύθμιση του κλίματος της Γης από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, υπογραμμίζοντας τη σημασία της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν η βιόσφαιρα και η ατμόσφαιρα σε έναν κόσμο που θερμαίνεται.
Το πείραμα CERN CLOUD και ο ρόλος του Κυπριακού κέντρου αριστείας CARE-C
Το πείραμα CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) στο CERN είναι η κορυφαία εγκατάσταση στον κόσμο για τη διερεύνηση του πώς σχηματίζονται τα ατμοσφαιρικά σωματίδια και τα σύννεφα, καθώς και του πώς αυτές οι διεργασίες επηρεάζουν το κλίμα της Γης. Χρησιμοποιώντας έναν μοναδικό εξαιρετικά καθαρό θάλαμο όγκου 26m³ από ανοξείδωτο χάλυβα, οι επιστήμονες μπορούν να αναδημιουργήσουν ατμοσφαιρικές συνθήκες με εξαιρετική ακρίβεια, συμπεριλαμβανομένων θερμοκρασιών που κυμαίνονται από τροπικές έως ανώτερες τροποσφαιρικές συνθήκες, ελεγχόμενης υγρασίας, ίχνη αερίων σε ατμοσφαιρικά σχετικές συγκεντρώσεις και ρυθμιζόμενων επιπέδων ιονισμού που παράγονται από μια δέσμη σωματιδίων από τον επιταχυντή Proton Synchrotron του CERN για την προσομοίωση κοσμικών ακτίνων. Το πείραμα αποτελεί μια διεπιστημονική συνεργασία ερευνητών από 19 πανεπιστήμια και ερευνητικά ινστιτούτα από 10 χώρες, καθιστώντας το μία από τις μεγαλύτερες διεθνείς προσπάθειες αφιερωμένες στην κατανόηση των αλληλεπιδράσεων αερολυμάτων-νεφών-κλίματος.
Το κέντρο αριστείας Κλίματος και Ατμόσφαιρας CARE-C του Ινστιτούτου Κύπρου είναι εταίρος στη συνεργασία CERN CLOUD από το 2020. Με επικεφαλής τον Αναπληρωτή Καθηγητή Θεόδωρο Χριστούδια και τον Επίκουρο Αναπληρωτή Καθηγητή Andrea Pozzer, η ομάδα από το CARE-C συνεισφέρει εμπειρογνωμοσύνη σε μοντέλα του συστήματος της Γης και στους υπολογισμούς υψηλής απόδοσης, συμβάλλοντας στη μετατροπή των εργαστηριακών ανακαλύψεων του CLOUD σε περιφερειακές και παγκόσμιες κλιματικές προσομοιώσεις. Μέσω αυτής της εργασίας, το CARE-C αξιολογεί πώς οι νεοανακαλυφθείς ατμοσφαιρικές διεργασίες επηρεάζουν τον σχηματισμό αερολυμάτων, τις ιδιότητες των νεφών και το κλίμα, συμβάλλοντας στη βελτιωμένη αναπαράσταση αυτών των διεργασιών σε κλιματικά μοντέλα και σε καλύτερη κατανόηση της μελλοντικής κλιματικής αλλαγής.