Ne bi mnogo ljudi dobrovoljno proletelo kroz oblake dima koje emituju šumski požari. Ali atmosferski naučnici iz Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD iznova i iznova prate putanje leta od kojih bi se obični putnici u avionu mogli razboleti. Njihov cilj? Izmerite svojstva čestica čađi koje emituju šumski požari kako bi mogli da nauče kako ove perjanice utiču na klimu na Zemlji.
Ispravno modeliranje uticaja ovih čestica je važno, kažu naučnici, jer su požari u porastu i po intenzitetu i po učestalosti, delom zbog suša izazvanih povećanjem globalnih temperatura i promenom hidroloških ciklusa.
„Potrebno nam je bolje razumevanje čestica koje emituju ovi požari, uključujući i kako se razvijaju, kako bismo mogli da poboljšamo naša predviđanja njihovog uticaja na klimu, klimatske promene i zdravlje ljudi“, rekao je Artur Sedlaček, jedan od neustrašivih uzorkovača dima.
Sedlaček i drugi u Brookhejvenu i saradničkim institucijama nedavno su objavili studiju u časopisu Environmental Science & Technologi koja sugeriše da globalni klimatski modeli ne dobijaju potpunu sliku.
Ovi modeli zasnivaju procene o tome kako požari utiču na klimu na optička svojstva čestica čađi uzorkovanih u neposrednoj blizini požara. Kako novi podaci pokazuju, taj pristup ne uzima u obzir promene u česticama čađi tokom vremena. Te promene, kažu naučnici, mogu dramatično uticati na to koliko sunčeve svetlosti čestice raspršuju ili apsorbuju, kako stupaju u interakciju sa vodom i kolika je verovatnoća da će formirati oblake – što je sve važno za to kako na kraju utiču na klimu Zemlje.
„Na osnovu ovih rezultata, trebalo bi da ponovo procenimo upotrebu posmatranja u blizini izvora i laboratorijskih eksperimenata kao jedinih izvora za određivanje načina na koji su ove čestice predstavljene na regionalnom i globalnom nivou“, rekao je Sedlaček.
Da bi prikupili nove podatke o tome kako se čestice čađi razvijaju, naučnici su instalirali osetljive instrumente dizajnirane da analiziraju čestice aerosola na avionima kojima upravljaju DOE i NASA.
Kroz dve naučne kampanje o atmosferi zasnovane na avionima, koje su širom sveta vodile ove dve agencije, preleteli su više od 60 istraživačkih letova kroz oblake požara, napred i nazad na sve većoj udaljenosti od požara. Ukrštanjem svake perjanice više puta, pokupili su mlade čestice relativno blizu vatre, kao i čestice koje su evoluirale satima. Drugi letovi uzorkovali su perjanice daleko od njihovih izvora, a starost se procenjuje na preko 10 dana.
Njihov glavni kamenolom bio je crni ugljenik, ili čađ, primarna supstanca koja apsorbuje svetlost koju emituju požari i dominantno sredstvo za zagrevanje klime.
„Crni ugljenik je odličan tragač za proučavanje perjanica šumskih požara jer je inertan, što znači da je hemijski nereaktivan“, rekao je naučnik iz Bruhejvena Erni Luis, koautor studije. „Lako apsorbuje svetlost (zbog čega je crna) i stoga se lako može otkriti našim instrumentima.“
„Pored toga, jedini izvori uklanjanja iz atmosfere su gravitacija – koja ima mali uticaj na ove čestice zbog njihove male veličine – i kiša nakon što formiraju kapi oblaka“, rekao je on.
Da bi se kapljice oblaka formirale oko čađi, crni ugljenik mora prvo da preuzme premaz od drugih supstanci. I tu priča o jednostavnom crnom ugljeniku postaje mnogo složenija.
U roku od prvog sata od formiranja, čestica crnog ugljenika počinje da akumulira prevlaku od organskog materijala. Ovaj premaz uglavnom potiče od isparljivih organskih jedinjenja koja su isparila iz goruće vegetacije, koja zatim inkapsuliraju „jezgra“ crnog ugljenika.
Većina klimatskih modela pretpostavlja da sve čestice čađi izgledaju kao ova jednolično obložena jezgra crnog ugljenika. Ali podaci prikupljeni za ovu studiju pokazuju da debljina materijala za oblaganje ostaje relativno konstantna samo jedan do dva dana. Zatim nivo prevlake počinje polako da se smanjuje sve dok samo oko 30 procenata ne ostane do otprilike 10. dana životnog ciklusa čestice.
„Ovaj spori gubitak materijala za premazivanje nije uhvaćen u današnjim klimatskim modelima“, rekao je Sedlaček.
Podaci pokazuju da čestice provode veći deo svog postojanja sa tanjivim premazima — i bliže završnoj fazi evolucije sa 30 procenata premaza — nego bilo koji drugi deo svog životnog ciklusa, koji može da traje nekoliko nedelja.
Ove promene imaju dramatičan uticaj na optička svojstva čestica. Na primer, kako se debljina prevlake na čestici crnog ugljenika smanjuje, količina svetlosti koju rasejava čestica opada brže od količine apsorbovane svetlosti. Pošto rasipanje svetlosti česticama generalno ima neto efekat hlađenja na klimu Zemlje, a apsorpcija svetlosti ima neto efekat zagrevanja, ova promena u ravnoteži menja efekat ovih čestica na klimu.
Pored toga, za perjanice na niskim nadmorskim visinama gde se formiraju oblaci, čestice koje imaju deblji premaz lakše formiraju kapi oblaka. To znači da se ove čestice mogu ukloniti iz oblaka i ispasti iz atmosfere ako kap oblaka postane kap kiše. Čestice crnog ugljenika koje ostaju u oblaku su stoga one sa tanjim premazom.
„Tanji premazi čine da ove preostale čestice perjanice relativno više upijaju svetlost i manje se raspršuju od mešavine čestica koja je bila u oblaku pre nego što su se oblaci formirali“, objasnio je Luis. „I još jednom, veća apsorpcija može zarobiti više toplote i zagrejati klimu na Zemlji.“
Glavni instrument koji se koristi za karakterizaciju čestica crnog ugljenika je fotometar sa jednom česticom (SP2). Ovaj instrument šalje mlaz čestica jednu po jednu kroz laserski zrak i hvata bljeskove svetlosti kada čestice ispare. Može da prikupi informacije o hiljadama čestica u sekundi, uključujući njihove veličine i debljinu njihovih premaza. Evo kako to funkcioniše:
Ako čestica ne sadrži crni ugljenik, ona samo raspršuje svetlost lasera, a količina raspršene svetlosti se može koristiti za određivanje veličine čestice.
Čestice koje sadrže crni ugljenik nisu tako jednostavne. Oni rasipaju svetlost, ali takođe apsorbuju svetlost (zapamtite, to je ono što crni ugljenik deo čestica čini crnim). Pri tome se brzo zagrevaju, pokrećući niz događaja koji se dešavaju u samo nekoliko milionitih delova sekunde.
Prvo, premazi isparavaju, čineći čestice manjim, što rezultira manje rasejanom svetlošću. Zatim, pošto su njihovi premazi nestali i ne mogu da rasipaju toplotu, čestice crnog ugljenika se zaista zagrevaju – do skoro 7.000 stepeni Farenhajta! To ih čini da ispare i emituju bljesak svetlosti. Količina svetlosti koju je pokupio SP2 direktno je povezana sa količinom crnog ugljenika u čestici. Oduzimanje te količine od veličine čestica određene početnim laserskim rasejanjem daje naučnicima debljinu premaza.
Ovo mnoštvo podataka o česticama crnog ugljenika u oblaku i drugim česticama se zatim može koristiti za izračunavanje načina na koji perjanica kao celina reaguje sa sunčevom svetlošću i utiče na klimu. A merenjem perja u različitim godinama, naučnici mogu bolje razumeti kako se ove interakcije menjaju tokom životnog veka perja.
Zapažanja iz ovih terenskih kampanja su takođe korisna jer skreću pažnju na nova istraživačka pitanja — kao što je kako čestice u dimnom oblaku formiraju kapi oblaka.
„Razumevanje složenih i zamršenih interakcija između aerosola i oblaka zahteva višestruki pristup gde merenja na terenu informišu modele, modeli pronalaze neslaganja koja zahtevaju ciljane laboratorijske eksperimente i gde rezultati laboratorijskih studija motivišu nove terenske kampanje“, rekao je Sedlaček.
