Введение
Мелкие частицы, на которых конденсируется водяной пар. Ядра конденсации облаков (CCN), также известные как семена облаков, – это мелкие частицы, обычно 0,2 мкм, или одна сотая часть размера облачной капли. CCN представляют собой уникальную подгруппу аэрозолей в атмосфере, на которой конденсируется водяной пар. Это может влиять на радиационные свойства облаков и атмосферы в целом. Водяному пару необходима не газообразная поверхность для перехода в жидкое состояние; этот процесс называется конденсацией. В атмосфере Земли эта поверхность представлена в виде крошечных твердых или жидких частиц, называемых CCN. При отсутствии CCN водяной пар может переохлаждаться в течение примерно 5–6 часов, прежде чем капли образуются спонтанно. Это лежит в основе работы облачной камеры для обнаружения субатомных частиц. Концепция CCN используется в облачном засеве, который направлен на стимулирование осадков путем распыления в воздухе ядер конденсации. Также было предложено, что создание таких ядер может быть использовано для осветления морских облаков – метода геоинженерии. Некоторые природные явления, такие как предложенные в гипотезе CLAW, также возникают в результате взаимодействия между естественным образованием CCN и формированием облаков.
Cloud condensation nuclei (CCNs), also known as cloud seeds, are small particles typically 0.2 μm, or one hundredth the size of a cloud droplet. CCNs are a unique subset of aerosols in the atmosphere on which water vapour condenses. This can affect the radiative properties of clouds and the overall atmosphere. Water vapour requires a non gaseous surface to make the transition to a liquid; this process is called condensation. In the atmosphere of Earth, this surface presents itself as tiny solid or liquid particles called CCNs. When no CCNs are present, water vapour can be supercooled at about for 5–6 hours before droplets spontaneously form. This is the basis of the cloud chamber for detecting subatomic particles. The concept of CCN is used in cloud seeding, which tries to encourage rainfall by seeding the air with condensation nuclei. It has further been suggested that creating such nuclei could be used for marine cloud brightening, a climate engineering technique. Some natural environmental phenomena, such as the one proposed in the CLAW hypothesis also arise from the interaction between naturally produced CCNs and cloud formation.
Размер
Типичная капля дождя имеет диаметр около 2 мм, типичная облачная капля – порядка 0,02 мм, а типичное ядро конденсации облака (аэрозоль) – порядка 0,0001 мм или 0,1 мкм и более в диаметре. Это влияет на продолжительность жизни, а также на радиационные свойства облаков и их продолжительность жизни. В конечном итоге, это оказывает влияние на изменение климата. Также существует предположение, что вариации солнечной активности могут влиять на свойства облаков через ядра конденсации облака (ЯКО) и, следовательно, на климат.
Измерения в воздухе
Измерения этих отдельных смешанных аэрозолей, способных формировать облачные капли (CCN) на площадке SGP, проводились с использованием исследовательского самолета. Исследование CCN, выполненное Kulkarni et al. (2023), описывает сложность моделирования концентраций CCN.
Сев облаков
Сеяние облаков – это процесс добавления в атмосферу небольших частиц для стимулирования образования облаков и выпадения осадков. Это достигается путем рассеивания солей с использованием авиационных или наземных методов. Исследуются и другие способы, такие как использование лазерных импульсов для возбуждения молекул в атмосфере, а недавно, в 2021 году, – излучение электрического заряда с помощью дронов. Эффективность этих методов непостоянна. Многие исследования не выявили статистически значимой разницы в количестве осадков, в то время как другие – выявили. Сеяние облаков может происходить и естественным путем, например, в результате лесных пожаров, которые выбрасывают в атмосферу мелкие частицы, способные служить ядрами конденсации.
Морская облачная подсветка
Морское осветление облаков — это технология геоинженерии, включающая в себя распыление мельчайших частиц в облака для увеличения их отражательной способности, или альбедо. Цель данной технологии — регулировать количество солнечного света, достигающего поверхности океана, с надеждой на снижение температуры поверхности за счет изменения радиационного баланса. Многие методы подразумевают создание мельчайших капель морской воды для доставки частиц морской соли в находящиеся над ними облака. Возможные осложнения связаны с реакцией активного хлора и брома, содержащихся в морской соли, с существующими молекулами в атмосфере. Показано, что они приводят к уменьшению концентрации озона в атмосфере; тот же эффект снижает содержание гидроксила, что, в свою очередь, увеличивает время жизни метана, являющегося парниковым газом.
Связь с фитопланктоном и климатом
В статье 1987 года, опубликованной в журнале Nature, было установлено, что глобальный климат может находиться в петле обратной связи из-за взаимосвязи между концентрацией ядер конденсации облаков (CCN), температурным регулированием, осуществляемым облаками, и океаническим фитопланктоном. С тех пор это явление получило название гипотезы CLAW, по имени авторов оригинального исследования. Распространенным типом CCN над океанами являются сульфатные аэрозоли. Эти аэрозоли образуются из диметилсульфида (DMS), выделяемого водорослями в морской воде. Это подавляет рост фитопланктона, что приводит к сокращению их популяции и уменьшению количества производимых ими сульфатных CCN с повышением температуры. Такое взаимодействие снижает альбедо облаков за счет уменьшения образования облаков, индуцированного CCN, и увеличивает количество солнечного излучения, достигающего поверхности океана, что приводит к положительной обратной связи. Увеличение числа аэрозольных частиц посредством процессов преобразования газа в частицы позволяет выбросам вулканов влиять на концентрацию потенциальных ядер конденсации облаков (CCN) и ядер кристаллизации льда (INP), что, в свою очередь, влияет на свойства облаков и вызывает изменения местного или регионального климата. Среди этих газов диоксид серы, диоксид углерода и водяной пар наиболее часто встречаются при вулканических извержениях. В то время как водяной пар и диоксид углерода в виде CCN присутствуют в атмосфере в изобилии, увеличение концентрации CCN диоксида серы может оказать влияние на климат, вызывая глобальное похолодание. Ежегодно вулканы выбрасывают около 9,2 Тг диоксида серы. Этот диоксид серы преобразуется в серную кислоту, которая быстро конденсируется в стратосфере, образуя мелкие сульфатные аэрозоли. Нижняя атмосфера Земли, или тропосфера, охлаждается в результате повышенной способности аэрозолей отражать солнечное излучение обратно в космос.