درک اینکه چگونه ذرات ریز ساطع شده از خودروها و کارخانه‌ها بر آب و هوای زمین تأثیر می‌گذارند، نیازمند مدل‌سازی دقیق آب و هوا و توانایی کمی کردن اثرات این ذرات آلاینده در مقابل ذرات موجود در جو است. یکی از ابهامات بزرگ این است که زمین قبل از شروع این انتشارات دوره صنعتی چگونه بوده است. در مقاله‌ای که به تازگی در نیچر منتشر شده است، دانشمندانی که در مطالعه GoAmazon همکاری می‌کنند، نحوه ردیابی ذرات را در جو عمدتاً بکر بر فراز جنگل‌های بارانی آمازون شرح می‌دهند، که راهی را به آنها داده است تا به طور مؤثر ساعت را چند صد سال به عقب برگردانند.
دانشمندان با حمایت مالی مرکز تحقیقات آب و هوایی (ARM) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و برنامه تحقیقات سیستم جوی DOE، داده ها را در آمازون طی سال های 2014-2015 جمع آوری و تجزیه و تحلیل کردند. دانشمندان با اسکن آسمان در ارتفاعات مختلف و اندازه‌گیری تغییرات جمعیت ذرات در طول زمان، منبع ذرات ریز را که در شرایط «پیش صنعتی» باعث تشکیل ابر می‌شوند، کشف کردند.
تجزیه و تحلیل توصیف شده در مقاله Nature، به رهبری دانشمندان آزمایشگاه ملی بروکهاون DOE، نشان می دهد که در آسمان های بالای آمازون، تعداد زیادی ذرات آئروسل کوچک که به طور طبیعی در اتمسفر فوقانی تشکیل می شوند به اتمسفر پایین منتقل می شوند. ، که به عنوان "لایه مرزی" شناخته می شود، توسط جریان های پایین سریع مرتبط با بارندگی. سپس، در لایه مرزی، جایی که ترکیبات آلی فرار ساطع شده از درختان با اکسیدان‌ها واکنش نشان می‌دهند، محصولات اکسیداسیون روی این ذرات کوچک متراکم می‌شوند و آنها را به «هسته‌هایی» تبدیل می‌کنند که در اطراف آن ابرها تشکیل می‌شوند.
جیان وانگ، شیمیدان جوی آزمایشگاه بروکهاون، می گوید: «در بسیاری از جاهای دیگر ما می دانیم که این ذرات تشکیل دهنده ابر مستقیماً از گسیل خودروها و کارخانه ها می آیند، یا در اثر متراکم شدن مولکول های گاز صنعتی برای تشکیل ذرات جدید تشکیل می شوند. از رهبران مطالعه اما در آمازون، شرایط تمیزی وجود دارد - بدون ماشین، بدون کارخانه - به این معنی که ما می‌توانیم این محیط بکر را مطالعه کنیم تا ببینیم زمین قبل از عصر صنعتی چگونه بوده است تا کمیت تغییر را تعیین کنیم. فرآیندهای اتمسفر کلیدی در مدل‌های آب و هوایی نشان داده می‌شوند."
از ذرات تا ابرها
بیشتر ابرها - آنهایی که سایه و بازتاب زیاد ایجاد می کنند و بیشترین تأثیر بالقوه را بر آب و هوا در نزدیکی سطح زمین دارند. در آمازون، این فرآیند با ذراتی با قطر حدود 20 تا 40 نانومتر شروع می شود. وانگ توضیح داد که در سطح زمین، این ذرات کوچک با تراکم مواد آلی اکسید شده به اندازه مورد نیاز برای تشکیل ابرها در اتمسفر رشد می کنند.
وانگ گفت: "مطالعات نشان می دهد که هیچ شکل گیری ذره جدیدی در لایه مرزی، پایین ترین قسمت جو اتفاق نمی افتد." به علاوه، باران زیاد در آمازون می بارد، و باران ذرات زیادی را از لایه مرزی خارج می کند.»
در غیاب منابع صنعتی و با این همه باران، ذرات کوچک لایه مرزی آمازون از کجا می آیند؟ دانشمندان گوآمازون فرض کردند که ذرات ممکن است از بالاترین سطح جو می آیند، جایی که دمای سرد متراکم شدن مولکول های بخار و تشکیل ذرات ریز را آسان تر می کند. اما چگونه آنها به لایه مرزی می رسند؟
داده در پرواز
برای کشف این موضوع، دانشمندان تعداد و اندازه ذرات را در ارتفاعات مختلف بالای منطقه ای بکر از جنگل های بارانی آمازون با استفاده از یک هواپیمای تحقیقاتی DOE ARM Climate Research Facility که توسط آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام اداره می شد، اندازه گیری کردند. این هواپیما مجهز به تجهیزات و ابزار نمونه‌برداری آئروسل برای ردیابی متغیرهای کلیدی هواشناسی بود.این ابزارها شامل یک طیف‌سنج تحرک یکپارچه سریع بود که در Brookhaven طراحی و ساخته شد که می‌توانست اندازه‌گیری‌های آئروسل را به سرعت انجام دهد، که با توجه به سرعت هواپیما کاملاً ضروری بود.
"ما چندین پرواز انجام دادیم، از لایه مرزی شروع کردیم تا ارتفاعات 2000 تا 3000 متری را انجام دادیم و سطح به سطح به سمت تروپوسفر آزاد پایین تر - 5 تا 6 کیلومتر بالاتر از سطح بالا رفتیم." گفت.
این ابزار غلظت بالایی از ذرات کوچک با قطر 20 تا 40 نانومتر را در تروپوسفر آزاد پایینی اندازه‌گیری کردند. در ارتفاعات پایین‌تر، توزیع اندازه تغییر کرد و غلظت بیشتری از ذرات بزرگ‌تر با قطر حداقل 100 نانومتر به زمین نزدیک‌تر شد.
دانشمندان همچنین داده‌هایی را از ابزارهای زمینی که توسط همکاران آلمان و برزیل راه‌اندازی و نگهداری می‌شد و اندازه‌گیری‌های رادار ابری را از یک مرکز موبایل ARM جمع‌آوری کردند. این داده‌ها به آنها اجازه می‌داد تا چگونگی تغییر ذرات سطح زمین پس از بارندگی را بررسی کنند و نحوه حرکت توده‌های هوا هنگام عبور طوفان را اندازه‌گیری کنند.
قبل از طوفان باران، وانگ گفت، ابزارهای زمینی تعداد زیادی ذرات بزرگ و تعداد کمی از ذرات کوچک را اندازه گیری کردند. "بعد از باران، ما عکس آن را داریم: ذرات بزرگ "باران شدند" - اما در همان زمان می بینیم که تعداد زیادی ذرات کوچک در سطح زمین ظاهر می شوند، درست مانند آنچه که G-1 در تروپوسفر آزاد پایین اندازه گیری کرده بود."
این مشاهدات با تخمین‌های مبتنی بر داده‌های راداری مبنی بر اینکه چه مقدار هوا (و چه تعداد ذره) باید از لایه‌ای به لایه دیگر در جریان‌های رو به پایین مرتبط با باران حرکت کنند، پشتیبانی شد. تجزیه و تحلیل‌های آماری دقیق دیگر تأیید کرد که جریان‌های پایین سریع و پراکنده مرتبط با بارندگی، تعداد کافی ذرات کوچک را از تروپوسفر آزاد پایینی به لایه مرزی منتقل می‌کند تا جمعیت جدیدی از ذرات ایجاد کند که در نهایت باعث تشکیل ابرهای جدید پس از هر طوفان باران شود.
"این یک داستان ساده به نظر می رسد، اما شما نمی توانید تنها با یک اندازه گیری به این نتایج برسید."ما به همه همکارانی نیاز داشتیم که این اندازه‌گیری‌های همزمان را در همه این مکان‌ها - لایه‌های جو، رادار و روی زمین - انجام دهند تا همه آنها را با هم تطبیق دهند.»
، او افزود، ممکن است پیامدها فراتر از مناطق استوایی باشد و به بسیاری از مکان های قاره ای 200-300 سال پیش، در دوران پیش از صنعتی شدن مربوط شود. ما امروزه آزمایش‌های زیادی برای اندازه‌گیری جو داریم. این در مقایسه با آنچه که در مورد چگونگی اوضاع 300 سال پیش می‌دانیم، بسیار بهتر درک می‌شود. اما با این مطالعه، اکنون اندازه‌گیری‌هایی داریم که می‌توانیم از آنها به عنوان پایه استفاده کنیم که به ما در درک آن کمک می‌کند. اثرات صنعتی شدن."
کمپین میدانی GoAmazon در ایالات متحده توسط دانشگاه هاروارد و در برزیل توسط کنسرسیومی از گروه های تحقیقاتی برزیلی و آلمانی رهبری شد. دانشمندان فنلاند و سوئد نیز در این مطالعه شرکت کردند. مرکز تحقیقات آب و هوایی ARM یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE است.
