Baktériumokkal a klímaváltozás jobb megértéséért. Felhők a Déli-óceán felett

Hogyan segíthet egy olyan apróság, mint a baktériumok abban, hogy jobban megértsük az éghajlati rendszer működését, és továbbfejlesszük a modelleket? A felhőzet – mint az éghajlati rendszer „kirakósának” egy darabja – a modellezés egyik legfontosabb eleme, mégis a különféle felhők működésének részleteit még mindig nem ismerjük teljes egészében. Ebben a cikkben a felhőzet meteorológiában betöltött szerepéről, modellekben történő számításáról, valamint mérési expedíciókról és azok tanulságairól lesz szó.

A Déli-óceán az Antarktisz körüli, különállóan áramló víztömeg, mely a 60. déli szélességi körtől délre helyezkedik el. Ez a Föld legfelhősebb régiója. A felhők – azon túlmenően, hogy belőlük hullik a csapadék, így a hidrológiai ciklus fontos elemét képezik – nagy szerepet töltenek be a légköri sugárzási folyamatokban is. Jellemzőiktől (pl. magasságuktól, vastagságuktól, típusuktól) függően adott mértékben áteresztik vagy épp – a felszín, vagy az űr irányába – visszaverik a sugárzást, és így hűtő vagy fűtő hatást fejtenek ki. A meteorológiai modellek legnagyobb bizonytalanságai jórészt a felhőkhöz kötődnek. A Déli-óceán fontos szerepet játszik az éghajlati rendszerben: befolyásolja az időjárási viszonyokat, az óceáni áramlatokat, a tengeri jégtakarót, a tengerfelszín hőmérsékletét, vagy épp a trópusokon lehulló csapadékmennyiséget.

Hogy a felhők vízcseppekből, jégrészecskékből, vagy ezek keverékéből állnak, a levegőben lebegő apró részecskéktől is függ. Kép forrása: Kathryn Moore, CC BY-ND Mivel a Déli-óceán távol van, kevéssé vizsgálták az ottani felhőket. Megfelelő bemenő adatok hiányában a meteorológiai modellek felülbecslik az óceán felszínét érő sugárzás mennyiségét (és így alulbecslik a felhőborítottságot a régióban) a műholdas adatokhoz képest. A pontatlanság fő oka a modellek által leírt felhőképződési folyamatokban keresendő, de eddig senki sem tudta pontosan meghatározni, miért „tűntek el” a felhők a modellben. A megfelelő működés elérése érdekében ezért a kutatóknak az itt képződő felhők kialakulásának módját kell megérteniük.

Hogyan képződnek a felhők?

Ugyan a légkörben zajló folyamatok fő fizikai törvényszerűségei régóta ismertek, ahogy egyre finomabb részleteket szeretnénk megérteni, újabb és újabb kérdések merülnek fel. Ki ne találkozott volna az általános légkörzés elveivel földrajzórán? Látjuk az időjárás-előrejelzések évek, évtizedek alatt megvalósuló minőségi javulását, de azt is, hogy egy-egy lokális jelenség (pl. zivatarok, villámárvizek) bekövetkeztét azért még mindig nehezebb pontosan előrejelezni.

Ahhoz, hogy felhő képződjön, tudjuk, hogy szükségünk van többek közt feláramlásra és megfelelő nedvességtartalomra. De a felhő élettartama vagy a belőle hulló csapadék szempontjából fontos az is, milyen hőmérsékletűek, halmazállapotúak a felhőelemek, vagy éppen milyen és mekkora felhőképző magvaink vannak. Az egyenleteket nem tudjuk közvetlenül minden egyes felhőelemre vagy molekulára felírni, de korábbi mérések, tapasztalatok alapján adott térségre összegzett hatásukat megadhatjuk a modellnek. Nem azt írjuk le, hogy egy konkrét felhő hogyan képződik és fejlődik a modellben, hanem azt, hogy azok összessége egy adott rácscella változóira mekkora hatást gyakorol.

Ahhoz, hogy megértsük, mi történik valójában a Déli-óceán feletti felhőkben, kutatók egy csoportja odautazott, hogy megtudja, hogyan és mikor alakulnak ki felhők a világ ezen távoli részén. Amit meglepőnek találtak, hogy ellentétben az északi féltekén lévő óceánokkal, a Déli-óceán felett mintavételezett levegő szinte egyáltalán nem tartalmazott szárazföldi részecskéket. Ez azt jelenti, hogy ezek a felhők eltérhetnek a többi óceán feletti felhőktől, így ez az új információ felhasználható az éghajlati modellek fejlesztésére.

Jég- és vízfelhők: nem mindegy az arányuk!

A felhők apró vízcseppekből vagy jégkristályokból, illetve gyakran ezek keverékéből állnak. Ezek a felhőelemek a levegőben lebegő apró aeroszol részecskéken (felhőképző magokon) képződnek. A részecske típusa nagy szerepet játszik annak meghatározásában, hogy folyadékcseppek vagy jégkristályok alakulnak-e ki. Az aeroszol részecskék származhatnak természetes (a tenger vagy a szárazföld felszínéről, például tengeri permet, pollen, por vagy akár baktériumok), vagy emberi forrásokból (közlekedés, tüzelés, ipar, stb.).

Képzetlen szem számára a jég- és a vízfelhő nagyjából azonosnak tűnik, pedig tulajdonságaik (pl. sugárzás-visszaverő képesség, élettartam, a belőlük hulló csapadékmennyiség) nagyon eltérőek.

Az éghajlati modellek hajlamosak túl sok jégfelhő, és a műholdas adatokhoz képest kevés vízfelhő előrejelzésére a Déli-óceán felett. Azonban a pólusok körüli műholdas méréseket nehéz elvégezni és kevésbé pontosak, mint más régiókban, ezért a kutatók közvetlen bizonyítékot akartak gyűjteni arról, hogy hány vízfelhő van jelen, és meghatározni, hogy miért több, mint a modellek által előrejelzettek.

A kérdés adott: miért van a valóságban több vízfelhő, mint a modellek szerint? Ennek megválaszolásához azt kell tudnunk, hogy milyen részecskék lebegnek az Antarktisz körüli légkörben.

A korábbi modellezési tanulmányok arra utaltak, hogy a Déli-óceán fölött található jégképző részecskék nagyon különböznek az északi féltekén találhatóktól. A por jégképző mag, de a déli féltekén a por forrásának hiánya miatt egyes kutatók feltételezték, hogy más típusú részecskék segítik elő a jégfelhők képződését a Déli-óceán felett.

Mivel a legtöbb méréssel az északi féltekén rendelkezünk, így a legtöbb modell is ezekre az adatokra épül. Ha a légköri részecskék, felhőképző magok valamilyen módon különböznek a két féltekén, az talán magyarázattal szolgálhat a hibákra.

Segítenek a bakteriális térképek

Az aeroszol részecskék összetételét a Déli-óceán felett közvetlenül nehéz megmérni, mivel egyszerűen kevés van belőlük. Ezért a kutatók közvetett megközelítést alkalmaztak: ahhoz, hogy következtessenek arra, mi van a felhők belsejében, a levegőben levő baktériumokat vizsgálták.

A légkör tele van mikroorganizmusokkal, amelyeket több száz, vagy több ezer kilométerre is elszállíthatnak a légáramlatok, mielőtt újra földet érnének. A kutatók tisztában vannak a legtöbb baktérium élőhelyével, így a levegőmintában megtalálható mikrobák alapján lehetséges meghatározni, honnan érkeztek – a mikrobák, és velük együtt a levegőrészecskék is.

Kizárólag óceáni baktériumok

A világ legtöbb óceáni régiójában, különösen az északi féltekén, ahol sok a szárazföld, a levegő mind tengeri, mind szárazföldi eredetű részecskéket tartalmaz. A kutatók a Déli-óceánon végzett mérési expedíciójukon is hasonlót feltételeztek, azonban a laborvizsgálatok azt az eredményt hozták, hogy lényegében az összes baktériumminta déli-óceáni eredetű volt. Márpedig ha a baktériumok óceáni eredetűek, akkor a felhőképző részecskéknek is onnan kell származniuk. A jégképző magvak a tengervízben igen ritkák, a tengeri részecskékből inkább vízfelhők képződnek – éppen ez az, amit a régióban megfigyeltek. Mivel a legtöbb modell ugyanúgy kezeli a felhőket az Északi- és Déli-féltekén, nem csoda, ha az eredmények hibásak voltak.

Tovább az éghajlati modellezés rögös útján

Most, hogy tudjuk, hogy a Déli-óceán feletti felhők képzésében nyáron főképp tengeri részecskék vesznek részt, azt kell kideríteni, hogy ez igaz-e más évszakokban illetve nagyobb magasságokban is. Az átfogóbb, a hajók mellett repülőgépekkel is végzett kutatás a légkör óceán felszínéhez közeli és magasabb régióit is vizsgálta, alapvető adatokat szolgáltatva az éghajlatmodellezőknek, akik ezt a tudást beépítik a modellekbe. De a megállapítás nem csak a modellek javításához járul hozzá. Azt is jelenti, hogy megerősítették: környezeti szempontból a Déli-óceán az egyik legérintetlenebb régió a bolygón – egy olyan hely, amely valószínűleg alig változott az emberi tevékenységek miatt.

Az írás Kathryn Moore, Jun Uetake és Thomas Hill cikke alapján készült.

Borítókép forrása: NASA Earth Observatory

Írta: Pieczka Ildikó – Meteorológus, a földtudományok doktora (PhD), az ELTE TTK Meteorológiai Tanszékének adjunktusa, a Másfél fok egyik állandó szerzője.