Цивилизация
Когда тучи называют «свинцовыми», в виду имеют не химический состав облаков, а их внешний вид, цвет и даже какую-то скрытую в них угрозу, готовую вот-вот обрушиться на наши головы. Однако, как выяснили геофизики из США, Швейцарии и Германии, в этой метафоре немножко больше буквального смысла, чем кажется поэтам.
Свинец — ключевой элемент в образовании зародышей тех крохотных водных частичек, которые и составляют облака.
Свинцовые наночастички входят в состав от 30% до 50% таких зародышей в атмосфере — непропорционально много в сравнении с общим количеством свинца в атмосфере. И свинец по-настоящему активно помогает образованию облаков: он повышает температуру и понижает относительную влажность, необходимые для превращения влажного воздуха в облако.
Правда, речь всё-таки идёт не о тех свинцовых тучах в нижней части тропосферы, что пугали поэтов несколько тысяч лет. Эти тучи по большей части состоят из мелких капелек воды. Свинец же причастен к образованию облаков из крохотных кристалликов льда — в первую очередь перистых облаков, циррусов, которые парят над землёй на высоте в 5–10 км.
Учёные под руководством Даниэля Цицо из американской Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Института атмосферы и климатологии при знаменитом швейцарском Федеральном техническом университете в Цюрихе (ETH) провели серию из трёх экспериментов. В них геофизики доказали как способность свинца значительно усиливать активность центров кристаллизации в облаках, так и то, что эти способности свинец активно реализует в земной атмосфере. Соответствующая работа принята к публикации в Nature Geoscience.
Для начала Цицо и его коллеги отправились на вершину горы Сторм-Пик в Скалистых горах, на границе американских штатов Колорадо и Вайоминг. Здесь, на высоте около 3200 метров, они просто-напросто отбирали пробы «естественного» воздуха и закачивали его в своего рода холодильник, только холодильник исследовательский, в котором можно было подробнейшим образом регулировать и контролировать все параметры образования облаков.
Половина крохотных кристаллов льда, образовавшихся при симуляции условий в верхних слоях тропосферы, содержала значительную долю свинца, в разы превосходящее его среднее содержание в атмосфере.
Примерно такую же картину показали и измерения состава микрокристаллов льда, входящих в состав натуральных облаков, пойманных на исследовательской станции Юнгфрауйох в Швейцарских Альпах, на высоте около 3600 метров. До половины из них содержали частички свинца, входящего, вероятно, в самые разнообразные химические соединения. И такое содержание тоже непропорционально велико: свинец входит в состав лишь 8% минеральных частичек, плавающих в воздухе над Альпами, и в 44% частичек, вокруг которых кристаллизовалась вода!
Впрочем, эти данные свидетельствуют в пользу причастности свинца к образованию перистых облаков лишь косвенным образом. Кто знает, может, просто уже сформировавшиеся ледяные частички с большим удовольствием впитывают свинец из атмосферы, а может, пылевые частички, которые являются центрами конденсации, просто испытывают какую-то дополнительную тягу к свинцовым соединениям.
Чтобы кардинально решить этот вопрос, учёные воспользовались настоящей «фабрикой облаков» AIDA в германском исследовательском центре в Карлсруэ. Это примерно такой же холодильник, что и на Сторм-Пик, только куда более навороченный и стационарный, высотой с трёхэтажный дом, с объёмом самой облачной камеры в 84 кубических метра. Это в 280 раз больше объёма стандартного 300-литрового холодильника.
Цицо отправил своим германским коллегам микрочастицы глины (каолинита), изготовленные в одной из аризонских лабораторий, с добавлением свинцовых наночастичек и без оного. Как проходила транспортировка аэрозолей, авторы работы, к сожалению, не уточняют.
Результаты экспериментов на облачной фабрике совершенно чётко подтвердили подозрения учёных. Свинец активно помогает появлению облаков.
При наличии в частичках свинцовых включений, температура, необходимая для кристаллизации, могла повыситься на десятки градусов, потребная при --40 по Цельсию относительная влажность — со 150% до 110% (воздух должен быть пересыщен водой, чтобы образовались облака, но одного этого мало). При том сами по себе свинцовые соединения (использовался сульфат свинца PbSO4) были не очень хорошими катализаторами, но на поверхности глиняных микрочастиц их активность возрастала многократно. Почему так — Цицо и его коллеги пока не могут сказать уверенно.
Что можно сказать уверенно, так это то, что большая часть свинцовых частичек в воздухе — результат человеческой деятельности.
Судя по пузырькам воздуха, извлечённым из антарктических ледовых кернов, ещё несколько веков назад содержание свинцовых аэрозолей в воздухе было в 100 раз меньшим против современного уровня. С началом промышленной эпохи концентрация свинцовых наночастичек непрерывно растёт, и их активно подхватывают более крупные минеральные микрочастицы, плавающие в атмосфере.
Пару веков основным источником свинца было сжигание угля в печах фабрик и заводов, а в XX веке на первую строчку вышел транспорт — автомобильный и воздушный, использующий свинец в качестве добавки к бензину. С конца 1970-х до 1990-х, правда, от этих добавок в автомобильном топливе избавились почти по всему миру (они, к примеру, напрочь запрещены стандартом Euro-2), и сейчас выбросы свинца автотранспортом сократились в десятки раз.
Однако их продолжают использовать для авиационного бензина — того, на котором летает малая и средняя авиация. А её полёты проходят как раз на тех высотах, где и образуются перистые облака.
Поэтому учёные уверены, что эти выбросы влияют и на образование облаков, и на климат.
Правда, в какую сторону — сказать сложно. С одной стороны, перистые облака могут частично отражать солнечный свет, способствуя таким образом охлаждению планеты. С другой, они могут удерживать тепло, которое без них могло бы уйти в космос. Какой эффект выигрывает — зависит и от плотности облаков, и от высоты, на которой они образуются.
Согласно климатическому моделированию, которое, признают авторы, не самое сильное место их работы, суммарный эффект меняет знак в зависимости от доли аэрозольных частиц, в состав которых входит свинец. Притом смена знака происходит как раз в районе доли порядка 10%, которая получается из наблюдений. И в любом случае свинец добавляет перистых облаков в средних широтах Северного полушария.
Если доля свинца меньше 10%, он чуть-чуть «греет» планету. Если доля больше 10%, то свинец в целом охлаждает атмосферу: при наличии свинцовых включений в каждой микрочастице — примерно на 1 Вт с каждого квадратного метра. Это около десятой доли процента от того потока энергии, что падает на нас от Солнца, но вполне заметная величина в масштабах всей планеты, особенно учитывая очень тонкую настройку планетарного теплообмена.
Авторы склоняются к мнению, что антропогенный свинец всё-таки охлаждает атмосферу, противодействуя действию антропогенных же парниковых газов.
Правда, радоваться нечему: ведь получается, что мы недооцениваем вклад последних в потепление. А от свинцовых выбросов всё равно придётся избавляться, если мы не хотим, чтобы наша атмосфера становилась всё более ядовитой.