Некоторые лесные пожары настолько интенсивны, что создают собственную погоду — грозы, движимые жаром, которые выбрасывают дым на высоту до 10 миль, подобно гигантским дымоходам.
Когда эти дымовые шлейфы достигают разреженного воздуха верхней тропосферы и нижней стратосферы, они могут сохраняться в течение недель или даже месяцев. Однако их точное влияние на климат Земли до конца не изучено, поскольку их трудно уловить и измерить.
Команда учёных-атмосферников из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) предприняла попытку непосредственного наблюдения за свежим дымом от лесных пожаров, который попал в верхнюю тропосферу на высоте около девяти миль над поверхностью Земли.
В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, учёные сообщают, что необычно крупные частицы, которые они наблюдали внутри высотного дымового шлейфа, вызванного лесным пожаром, оказали значительное охлаждающее воздействие на этот регион. Это явление имеет потенциальные последствия для климата Земли, но не учитывается в современных климатических моделях.
«Мы наблюдаем всё больше и больше лесных пожаров в Канаде, на западе США и по всему миру», — сказал старший автор Фрэнк Кёйч, профессор инженерии и атмосферных наук в SEAS.
«Нас особенно интересует, каково влияние на климат, и, исходя из этого, каково влияние на состав атмосферы — например, на озоновый слой стратосферы, который защищает нас от ультрафиолетового излучения».
Дым от лесных пожаров, как и другие аэрозоли, например, промышленное загрязнение воздуха, может изменять количество радиации, достигающей поверхности земли, поглощая солнечный свет или рассеивая его обратно в космос.
Лучшее понимание поведения высотных дымовых облаков может привести к новому пониманию баланса между поступающей и исходящей радиацией и, таким образом, к пониманию того, как процессы на Земле, такие как гидрологический цикл, могут реагировать на пожары, объяснил Кёйч.
Например, сказал соавтор исследования и научный сотрудник проекта Джон Дайкема, локальный нагрев, вызванный поглощением дымом солнечного света, может привести к изменению атмосферной циркуляции, что, в свою очередь, может изменить положение струйных течений и иметь последствия для погоды.
«Я думаю, что всё это возможно, и в настоящее время у нас недостаточно информации, чтобы сказать, в какую сторону они могут пойти», — сказал он.
Исследовательская группа использовала высотный самолёт NASA ER-2, оснащённый специализированным оборудованием, для проведения беспрецедентных наблюдений за дымовым шлейфом, который поднялся в верхнюю тропосферу вскоре после возникновения лесного пожара в Нью-Мексико в июне 2022 года.
На борту самолёта, который использовался совместно с другими исследовательскими группами, они развернули портативный оптический спектрометр, который измеряет концентрацию и размер частиц, а также прибор, который измеряет состав шлейфа, дополненный прибором из группы в Университете Пердью для идентификации частиц дыма.
С помощью геостационарной спутниковой технологии исследователи смогли точно определить местонахождение шлейфа, подлететь к нему и получить подробную информацию из него всего через пять дней после пожара. Это сравнимо с предыдущими наблюдателями, которым удавалось измерить стратосферный дым, которому было несколько недель.
В молодом шлейфе команда из Гарварда наблюдала концентрацию удивительно крупных аэрозолей диаметром около 500 нанометров, что вдвое превышает размер типичных аэрозолей дыма на меньших высотах.
С помощью экспертов по моделированию из Университета штата Колорадо они показали, что эффективная коагуляция частиц может объяснить их большой наблюдаемый размер.
«Частицы могут коагулировать в любом месте атмосферы», — сказал ведущий автор и бывший доктор философии Яовэй Ли.
«Но в этом конкретном регионе воздух смешивается очень медленно. Это позволяет частицам дыма от лесных пожаров оставаться сконцентрированными и чаще сталкиваться, что делает коагуляцию гораздо более эффективной».
Эти более крупные частицы, по их словам, оказывали гораздо более сильное охлаждающее воздействие, увеличивая исходящую радиацию на 30–36% по сравнению с более мелкими частицами дыма, обычно встречающимися на меньших высотах. Этот эффект не был учтён в современных климатических моделях. Результаты могут иметь важные последствия для понимания учёными будущего климата Земли.
«Наше исследование даёт новое представление о том, как лучше ограничить влияние частиц, образующихся в результате таких специфических явлений, как грозы, вызванные лесными пожарами, на энергетический баланс Земли», — сказал Ли.