Чи може дощ очистити атмосферу?

Дослідження пояснюють, як дощові краплі притягують аерозолі з атмосфери.  Коли крапля дощу падає крізь атмосферу, вона може ввібрати десятки і сотні дрібних аерозольних часток на свою поверхню – до того, як вона вдариться об землю. Процес, при якому краплі і аерозолі поєднуються, називається коагуляцією (природне явище, яке може очищати повітря від шкідливих речовин, таких як сажа, сульфати й органічні частки).

Атмосферні хіміки в Массачусетському технологічному інституті (МТІ), на даний момент визначають, наскільки ефективним є дощ в очищенні атмосфери. З урахуванням висоти хмари, розміру її крапель, а також діаметру і концентрації аерозолів, команда може передбачити ймовірність того, що крапля дощу “вимете” частки з атмосфери.  

Вчені проводили експерименти в групі МТІ “Collection Efficiency Chamber”, у 3-метровій скляній камері, яка генерує окремі краплі дощу з регульованими швидкістю і розміром. Коли краплі падали крізь камеру, дослідники закачували аерозольні частинки і вимірювали швидкість, з якою краплі і аерозолі сполучалися.  

Схема установки експериментальної хмарної камери дослідників. DGN позначає генерування крапель і елемент нейтралізатора.

  З отриманих вимірювань вони розрахували коагулятивну ефективність дощу – здатність краплі вбирати частки, коли вона падає . Загалом, було виявлено, що менші краплі краще вбирають забруднюючі повітря речовини. Спонукають до коагуляції також умови низької відносної вологості повітря.

За словами Дена Цзицзо (Dan Cziczo), доцента атмосферної хімії в МТІ, нові результати, опубліковані в цьогомісячному журналі “Атмосферна хімія і фізика”, на сьогоднішній день є найбільш точними даними щодо коагуляції. Ці дані, каже науковець, можна екстраполювати, щоб передбачити потенціал дощу у розчищенні різного спектру часток у різних екологічних умовах.  

«Скажімо, ви – моделіст, і хочете з'ясувати, як хмара в Бостоні очищує атмосферу у порівнянні з хмарою над Чикаго, яка знаходиться набагато вище. Ми хочемо, щоб ви були в змозі зробити це за допомогою створених нами розрахунків ефективності коагуляції», – говорить Цзицзо. « Це може допомогти вирішити такі питання, як якість повітря, здоров'я людини, а також наслідки впливу хмар на клімат ».

Співавторами наукової доповіді є науковий співробітник Карін Ардон-Драйер (Karin Ardon-Dryer) і колишній науковий співробітник Яй-Вень Хуанг (Yi-Wen Huang).

Переоцінюючи дощ

Група Цзицзо вже не вперше моделює взаємодію дощу і аерозолів в лабораторії. За останні десятиліття інші науковці також будували камери для відстежування коагуляції. Але дослідники Массачусетського технологічного інституту дізналися, що подібні явища були дуже рідкісними і їх вкрай складно відтворити. Вченим було відомо, що електричний заряд крапель відіграє велику роль у залученні часток, тож Цзицзо і його колеги почали змінювати заряди крапель і часток, щоб прискорити появу коагуляції.

  «Ось де у нас, як у вчених, почали з’являтись неприємності», – говорить Цзицзо про дослідження. «Щоб процес справді запрацював, люди проводили його в просторі, що не був спорідненим із атмосферним».

У результаті дослідники стали свідками набагато більшої кількості коагулятивних процесів. Однак, результати базувалися на електричних зарядах, які були набагато вищими за ті, що спостерігалися в атмосфері.

”У деяких випадках ми бачили, як люди використовували в 10 або 100 разів більше енергії, що можна спостерігати лише у розпал найсильнішої грози”, – говорить Цзицзо.

Експерименти, за словами вченого, істотно завищують очисні ефекти дощу.

Зменшення заряду краплі

Щоб отримати більш точну картину коагуляції, група Цзицзо побудувала нову камеру з генератором окремих крапель (прилад, який можна відкалібрувати для створення окремих крапель певного розміру, частоти і заряду). Як правило, генератори крапель занадто сильно заряджають краплі. Щоб створити електричні заряди, що їх краплі насправді мають в атмосфері, команда використовувала невелике радіоактивне джерело, яке відбирало невелику кількість заряду з кожної краплі.  

Потім команда закачувала в нижню частину камери аерозольні частки відомого розміру. Коли краплі падали на підлогу, вони випаровувалися, залишаючи тільки сіль і, якщо коагуляція відбулася, аерозолі. Залишкові частки потім прокачували через спектрометр для окремих часткових мас, який визначав, чи можуть солі, а значить і краплі, поглинати аерозолі.

Дослідники запустили кілька експериментів, варіюючи відносну вологість у камері, а також розміри крапель і їхню частоту. Вони розрахували ефективність коагуляції для кожного запуску і виявили, що дрібні краплі частіше вбирають аерозолі, особливо в умовах низької відносної вологості.  

У кінцевому рахунку, за словами Цзицзо, краще розуміння взаємодії часток аерозолів і крапель допоможе вченим чіткіше зрозуміти траєкторію зміни клімату. Адже одним з основних факторів невизначеності у прогнозах щодо глобального потепління є той, як парникові гази будуть впливати на утворення хмар. Оскільки хмари відіграють важливу роль у регулюванні радіаційного клімату Землі – скільки тепла поглинається або випаровується – Ден Цзицзо переконаний, що важливо зрозуміти зв'язок між краплями води в хмарі і частками в атмосфері.

"Цього типу даних не вистачає в літературі, він повинен поліпшити моделі відтворення того, як хмара і краплі туману можуть вбирати аерозольні частки", – говорить Маргарет Толберт (Margaret Tolbert), професор хімії і біохімії в університеті Колорадо, яка не брала участі в дослідженні. " Поліпшення розуміння мікрофізики аерозолю в кінцевому рахунку допомагає спрогнозувати якість повітря та зміни клімату, оскільки аерозолі є центральними для обох ".

Дане дослідження фінансувалося, зокрема, за рахунок Національного управління океанічних і атмосферних досліджень.

На цьому малюнку крапля води, що падає, оточена потоком повітря. Аерозольні частинки (жовті) притягуються до краплі. Процес, при якому краплі і аерозолі  сполучаються називається коагуляцією  природне явище, яке може очищати повітря від шкідливих речовин, наприклад, таких як сажа, сульфати і органічні частки).