Облака рождаются свинцом

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.