Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Kết quả mới từ một nghiên cứu khí quyển ở Đông Bắc Đại Tây Dương tiết lộ rằng các hạt aerosol nhỏ tạo mầm mống hình thành các đám mây có thể hình thành bên cạnh hư vô trên đại dương. Phát hiện này sẽ cải thiện cách các sol khí và mây được thể hiện trong các mô hình mô tả khí hậu Trái đất để các nhà khoa học có thể hiểu cách các hạt – và các quá trình điều khiển chúng – có thể đã ảnh hưởng đến quá khứ và hiện tại của hành tinh, đồng thời đưa ra những dự đoán tốt hơn về tương lai.
Kết quả mới từ một nghiên cứu khí quyển ở Đông Bắc Đại Tây Dương tiết lộ rằng các hạt aerosol nhỏ tạo mầm mống hình thành các đám mây có thể hình thành từ bên cạnh hư vô trên đại dương. “Sự hình thành hạt mới” này xảy ra khi ánh sáng mặt trời phản ứng với các phân tử khí vết trong lớp ranh giới biển, bầu khí quyển trong khoảng km đầu tiên trên bề mặt Trái đất. Phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Communications sẽ cải thiện cách các sol khí và đám mây được thể hiện trong các mô hình mô tả khí hậu Trái đất để các nhà khoa học có thể hiểu cách các hạt – và các quá trình kiểm soát chúng – có thể đã ảnh hưởng đến quá khứ và hiện tại của hành tinh này như thế nào, và đưa ra những dự đoán tốt hơn về tương lai.
Đồng tác giả nghiên cứu Chongai Kuang, thành viên của Phòng Khoa học Môi trường và Khí hậu, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết: “Khi chúng ta nói ‘sự hình thành hạt mới’, chúng ta đang nói về các phân tử khí riêng lẻ, đôi khi chỉ có kích thước vài nguyên tử, phản ứng với ánh sáng mặt trời. Thật thú vị khi nghĩ về việc một thứ có quy mô như vậy có thể có tác động như thế nào đến khí hậu của chúng ta – về lượng năng lượng bị phản xạ hoặc bị giữ lại trong bầu khí quyển của chúng ta.”
Nhưng mô hình hóa các chi tiết về cách các hạt sol khí hình thành và phát triển cũng như cách các phân tử nước ngưng tụ trên chúng để trở thành các giọt mây và đám mây, đồng thời cân nhắc các đặc tính khác nhau của sol khí (ví dụ: kích thước, số lượng và sự phân bố không gian của chúng) ảnh hưởng như thế nào đến các quá trình đó.
Cực kỳ phức tạp – đặc biệt nếu chúng ta không biết tất cả các sol khí đến từ đâu. Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học từ Brookhaven và các cộng tác viên nghiên cứu khí quyển trên khắp thế giới đã bắt đầu thu thập dữ liệu trong một môi trường đại dương tương đối nguyên sơ. Trong bối cảnh đó, họ dự kiến nồng độ của các khí vết sẽ thấp và sự hình thành các đám mây đặc biệt nhạy cảm với các đặc tính của sol khí – một “phòng thí nghiệm” lý tưởng để tháo gỡ các tương tác phức tạp.
Kuang nói: “Đây là một thử nghiệm thực sự tận dụng kiến thức chuyên môn rộng rãi và hợp tác tại Brookhaven trong quan sát sol khí và quan sát đám mây”.
Ba trong số các nhà nghiên cứu chính – tác giả chính là Guangjie Zheng và Yang Wang, và Jian Wang, điều tra viên chính của Chiến dịch Aerosol và Cloud ở chiến dịch Đông Bắc Đại Tây Dương (ACE-ENA) – bắt đầu tham gia vào dự án khi làm việc tại Brookhaven và vẫn là cộng tác viên thân thiết với Phòng thí nghiệm kể từ khi chuyển đến Đại học Washington ở St. Louis vào năm 2018.
Đất và biển
Nghiên cứu này đã sử dụng một trạm lấy mẫu trên mặt đất lâu dài trên đảo Graciosa trong Azores (một quần đảo 850 dặm về phía tây của lục địa Bồ Đào Nha) và một máy bay Gulfstream-1 trang bị 55 hệ thống thiết bị khí quyển để lấy số đo ở độ cao khác nhau trong đảo và ngoài biển. Cả trạm mặt đất và máy bay đều thuộc về cơ sở sử dụng Đo bức xạ khí quyển của Văn phòng Khoa học DOE (ARM), được quản lý và vận hành bởi một tập đoàn gồm chín phòng thí nghiệm quốc gia DOE.
Nhóm nghiên cứu đã lái máy bay trên “các chuyến bay cá heo”, đi lên và đi xuống qua lớp ranh giới để có được các cấu trúc thẳng đứng của các hạt và phân tử khí tiền thân hiện diện ở các độ cao khác nhau. Và họ điều phối các chuyến bay này với các phép đo được thực hiện từ trạm mặt đất.
Các nhà khoa học không mong đợi sự hình thành hạt mới sẽ xảy ra ở lớp ranh giới trong môi trường này bởi vì họ cho rằng nồng độ của các khí vi lượng tiền chất quan trọng sẽ quá thấp.
Kuang nói: “Nhưng có những hạt chúng tôi đo được ở bề mặt lớn hơn những hạt mới hình thành, và chúng tôi không biết chúng đến từ đâu.”
Các phép đo máy bay đã cho họ câu trả lời.
“Máy bay này có các kiểu bay rất cụ thể trong chiến dịch đo,” Kuang chia sẻ. “Họ đã thấy bằng chứng cho thấy sự hình thành hạt mới đang diễn ra trên cao – không phải ở bề mặt mà ở lớp biên trên.”
Bằng chứng bao gồm sự kết hợp của nồng độ cao của các hạt nhỏ, nồng độ thấp của diện tích bề mặt sol khí tồn tại từ trước và các dấu hiệu rõ ràng cho thấy các khí dạng phản ứng như dimethyl sulfide đang được vận chuyển theo phương thẳng đứng – cùng với các điều kiện khí quyển thuận lợi cho các khí đó phản ứng với ánh sáng mặt trời.
Sau đó, khi các hạt sol khí này hình thành, chúng sẽ thu hút các phân tử khí bổ sung, chúng ngưng tụ và khiến các hạt phát triển đến đường kính khoảng 80-90 nanomet. Những hạt lớn hơn này sau đó được vận chuyển xuống dưới – và đó là những gì chúng tôi đang đo ở bề mặt.
Các phép đo bề mặt cộng với phép đo máy bay cho các nhà khoa học cảm nhận không gian thực sự tốt về các quá trình sol khí đang diễn ra.
Ở một kích thước nhất định, các hạt phát triển đủ lớn để thu hút hơi nước, hơi nước ngưng tụ lại tạo thành các giọt mây, và cuối cùng là mây.
Kuang giải thích, cả các hạt sol khí riêng lẻ lơ lửng trong khí quyển và các đám mây mà chúng tạo thành cuối cùng đều có thể phản xạ và / hoặc hấp thụ ánh sáng mặt trời và ảnh hưởng đến nhiệt độ Trái đất.
Nghiên cứu ý nghĩa
Vì vậy, bây giờ các nhà khoa học biết các hạt aerosol mới đang hình thành trên đại dương, họ có thể làm gì với thông tin đó?
Họ sẽ nắm bắt những kiến thức này về những gì đang xảy ra và đảm bảo rằng quá trình này được ghi lại trong mô phỏng của hệ thống khí hậu Trái đất.
Một câu hỏi quan trọng khác: “Nếu đây là một môi trường trong sạch như vậy, thì tất cả những tiền chất khí này đến từ đâu?”
Có một số tiền chất khí quan trọng được tạo ra bởi hoạt động sinh học trong đại dương (ví dụ: dimethyl sulfide) cũng có thể dẫn đến sự hình thành các hạt mới. Đó có thể là một nghiên cứu tiếp theo tuyệt vời cho nghiên cứu này – khám phá những nguồn đó.
Hiểu được số phận của các khí sinh học như dimethyl sulfide, một nguồn lưu huỳnh rất quan trọng trong khí quyển, là chìa khóa để cải thiện khả năng của các nhà khoa học trong việc dự đoán những thay đổi trong năng suất đại dương sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự hình thành sol khí và nói chung là khí hậu.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, Nghiên cứu Hệ thống Khí quyển của DOE và NASA. Ngoài các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Brookhaven và Đại học Washington, sự hợp tác còn có các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương; Đại học Khoa học và Công nghệ Missouri; Đại học Washington, Seattle; Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA; Science Systems and Applications Inc. ở Hampton, Virginia; Viện Hóa học Max Planck ở Mainz, Đức; và Viện Hải dương học Scripps, Đại học California, San Diego.
Nguồn truyện:
Tài liệu do Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE / Brookhaven cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :