Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 31 במאי, 2018

חקירת זרעי עננים במעבדות המחקר של סרן (CERN)

תַקצִיר

בשמיים, חלקיקים זעירים נדרשים לְשֵׁם היווצרות של עננים. חלקיקים אלה יכולים להגיע מהקרקע (לדוגמה, מהרי געש או מזיהום המשתחרר מהתעשייה), או שהם יכולים להיווצר באוויר כאשר מולקולות דביקות מתאגדות יחד. כמות גדולה יותר של חלקיקים באטמוספירה גורמת לעננים להיות לבנים יותר. עננים לבנים יותר מחזירים יותר קרני שמש לחלל, מה שנוטה לקרר את אקלים כדור הארץ, כי פחות אור מגיע אל הקרקע. אם כן, חלקיקים בשמיים משפיעים על עננים, ואלה משפיעים על התחממות כדור הארץ. לכן, חשוב להבין כיצד החלקיקים האלה נוצרים. כדי לחקור זאת מדדנו כמה מהר חלקיקים נוצרו כשהוספנו מידות מבוקרות של גזים ”דביקים“ למְכָל ניסוי במעבדת המחקר בסרן. באמצעות הדמיות (סימולציות) ממוחשבות, השתמשנו בתוצאות הניסוי כדי להעריך אלו גזים הם החשובים ביותר להיווצרות חלקיקים בחלקים שונים של האטמוספירה. מחקר זה יסייע לחוקרים להבין כיצד חלקיקים אלה משפיעים על אקלים כדור הארץ.

חלקיקים באוויר

האוויר מורכב מהחלקיקים הקטנים ביותר המֻכָּרִים לנו, שהם יציבים בפני עצמם: אטומים ומולקולות. מצד שני, האוויר סביבנו נושא בתוכו גם הרבה חלקיקים קטנים אחרים: גושים של חומר שהם קטנים מכדי שנוכל לראותם בעין. כמו מוצקים ונוזלים אחרים, החלקיקים הקטנטנים באוויר מורכבים מהרבה מולקולות שקשורות יחד על-ידי משיכה חשמלית.

החלקיקים האלה קלים כל כך שהם נעים עם האוויר. אט-אט הם נופלים על האדמה בגלל כוח המשיכה, אולם תנועת האוויר דוחפת אותם חזק יותר מהעוצמה שבה כוח המשיכה מושך אותם למטה. החלקיקים מוּעפים סביב על-ידי הרוח, ויכולים לנוע למרחקים גדולים, אפילו בין יבשות, לפני שהם נופלים מטה אל כדור הארץ. כאשר ישנם חלקיקים רבים באוויר השמיים נהיים אביכים והראות נפגעת.

קרוב לאדמה, החלקיקים הגדולים ביותר שבאוויר הם בדרך כלל חלקיקי אבק או אבקני צמחים. החלקיקים הקטנים ביותר הם צְבִירִים של כמה מולקולות בודדות בלבד, והם קטנים הרבה יותר מאשר אבק או אבקנים. עשן מורכב גם הוא מחלקיקים. חלקיקי עשן הם גדולים יותר מצבירי מולקולות אולם קטנים יותר מאבק. כשחלקיקים כאלה מגיעים מפעילוּת אנושית אנו מכנים אותם ”זיהום אוויר“. עם זאת, זיהום אוויר יכול להיגרם גם ממולקולות בודדות של גזים רעילים.

חלקיקים בשמיים חשובים משתי סיבות עיקריות. ראשית, נשימה של הרבה חלקיקים כאלה אינה בריאה. לדוגמה, עשן שנפלט מאגזוז של רכבים או מסיגריות יכול להיות מסרטֵן. הסיבה השנייה לכך שהחלקיקים חשובים היא שהם דרושים להיווצרות של עננים.

יצירת עננים

עננים, בין אם הם שכבות גדולות ואפורות, גושים לבנים וצמריריים או שובלי מטוסים בשמיים, חולקים כולם כמה דברים במשותף. הדבר החשוב ביותר הוא שהם מורכבים מטיפות מים קטנטנות שנקראות ”טיפות ענן“ (Cloud droplets). טיפות ענן נוצרות כאשר אוויר חם מפני השטח של כדור הארץ עולה מעלה ומתקרר אט-אט. כמו החלקיקים שהזכרנו קודם, גם טיפות הענן הן קטנות כל כך עד שאינן נופלות לאדמה (אלא אם כן יורד גשם). האוויר שנמצא סביב לטיפות המים ועולה למעלה דוחף אותן, וכוח המשיכה מושך אותן למטה באופן כזה שבסופו של דבר הן פשוט צפות בשמיים.

באטמוספירה המים נמצאים במצב של גז, אלא אם כן ישנוֹ משטח כלשהו שאליו טיפות המים יכולות להידבק או שמזג האוויר מאוד מאוד קר (38- מעלות צלזיוס). כשישנוֹ משטח שהמים באים עמו במגע הם יכולים לעבור עיבוי, כלומר להפוך לנוזל, או לקפוא על המשטח כפי שקורה כשנוצר קרח על פני הקרקע. אולם, בשמיים אין הרבה מִשְׁטָחִים זמינים. לכן, כדי ליצור ”טיפת ענן“ צריך חלקיקים זעירים בעלי שטח פנים קטן שאליהם טיפות המים יכולות להידבק. החלקיקים האלה מתפקדים בתור הזרעים של טיפת הענן, ומכונים גם גרעיני התעבות. כדי שהטיפה תוכל להיווצר החלקיקים צריכים להיות בקוטר של כ-50 ננו-מטרים: בערך אלפית מעובי של שערה. איור 1 מראה מהיכן באים חלקיקים אלה שנמצאים באטמוספירה.

איור 1 - מהיכן מגיעים החלקיקים שבאטמוספירה (צד שמאל ומרכז האיור) וכיצד הם אוֹבדים (כלומר, חוזרים לאדמה; מימין).
  • איור 1 - מהיכן מגיעים החלקיקים שבאטמוספירה (צד שמאל ומרכז האיור) וכיצד הם אוֹבדים (כלומר, חוזרים לאדמה; מימין).
  • אבק, רסיסי מלח ים וחלקיקי עשן מגיעים ישירות מהקרקע (חיצים כחולים באיור), בעוד שמולקולות גז יכולות להידבק יחד וליצור חלקיקים (חיצים אדומים באיור). אם ישנם יותר חלקיקים בשמיים העננים שנוצרים מחזירים קרני שמש רבות יותר חזרה לחלל.
  • האיור עובד מתוך הדיאגרמה המקורית של ג'ספר קירקבי (Jasper Kirby).

במבט מהחלל העננים נראים כמשטח לבן בוהק אשר מחזיר חלק מאור השמש חזרה אל החלל. לעובדה זו תפקיד חשוב בוויסות כמות אור השמש אשר מגיע לפני הקרקע. אם ישנם חלקיקים מעטים בשמיים, יוַוצרו פחות טיפות בכל ענן ויותר אור יגיע לקרקע. זה יכול להשפיע בצורה משמעותית על הטמפרטורה בכדור הארץ מאחר שהעננים מכסים, בממוצע, יותר ממחצית מפני השטח שלו.

כשאנחנו מזהמים את האטמוספירה, למשל עם חלקיקי עשן (ממפעלים וכדומה), אנחנו משנים את מספר החלקיקים בשמיים. כתוצאה מכך העננים יכילו טיפות קטנות יותר ובכמות גדולה יותר. זה משנה את הבהירות של העננים: הם מחזירים יותר קרני שמש חזרה לחלל ופחות אור שמש מגיע לפני הקרקע. עובדה זו הפחיתה ברבע עד חצי את התחממות כדור הארץ, שנגרמה כתוצאה מפליטה של גזי חממה, כמו פחמן דו-חמצני, אותה חווינו במאה השנים האחרונות. השפעות החלקיקים על טמפרטורת כדור הארץ אינן ודאיות. אנו צריכים להבין את החלקיקים האלה טוב יותר כדי להבין לאיזו התחממות (או התקררות) הם גורמים [1].

יצירת חלקיקים

אוויר מורכב ברובו ממולקולות חנקן וחמצן, אולם ישנן מולקולות נוספות רבות שמרחפות באוויר. חלק מהמולקולות שמרכיבות את האוויר הן דביקות יותר מאחרות (להסבר מפורט, ראו את תיבה 1). מים הם דביקים יחסית, אולם מולקולות מסוימות אחרות הן דביקות כל כך עד שהן יכולות ליצור חלקיקים על-ידי הידבקות ישירה אחת לשנייה, בלי להזדקק למשטח שלו זקוקות מולקולות המים כדי להידבק זו לזו. לתהליך זה אנו קוראים הִתְגַּרְעֲנוּת.

תיבה 1. מדוע חלק מהמולקולות דביקוֹת יותר מאחרות

מדוע חלק מהמולקולות נדבקות יחד?

במאמר זה תיארתי חלק מהמולקולות כ”דביקות“ יותר מאחרות. משמעות הדבר היא שמולקולות מסוימות נמשכות בחוזקה זו לזו על-ידי כוחות חשמליים. כל האטומים מכילים גרעין קטנטן ואלקטרונים אשר ממוקמים מחוץ לגרעין. האופן שבו האלקטרונים מאורגנים סביב לגרעין תלוי בסוג האטום. למשל, במולקולת מים – H2O, סידור האלקטרונים סביב לאטום המימן שונה מסידורם סביב לאטום החמצן. במולקולות כמו מים, האלקטרונים נחלקים בין האטומים. אם האטומים שמרכיבים את המולקולה הם זהים (כמו במקרה של מולקולת החמצן O2 שמורכבת משני אטומי חמצן), שיתוף האלקטרונים הוא שוויוֹני (כלומר כל אטום מכיל ”נתח“ שווה מִסָּךְ האלקטרונים במולקולה). אם האטומים שונים, בדרך כלל סוגים מסוימים של אטומים טובים יותר מאחרים במשיכת אלקטרונים כלפי עצמם. במים, חמצן מושך אלקטרונים חזק יותר מאשר מימן, כך שהאלקטרונים ממוקמים בעיקר סביב לאטום החמצן: השיתוף אינו שוויוני.

אלקטרונים הם בעלי מטען חשמלי שלילי. מאחר שמרבית האלקטרונים במים ממוקמים סביב לאטוֹם החמצן ולא סביב לאטומי המימן, אטוֹם החמצן טעון שלילית, ואטומי המימן טעונים חיובית. אטום החמצן במולקולת מים אחת יכול למשוך את אטומי המימן במולקולת מים אחרת מאחר שמִטְעָנִים חיוביים ושליליים מושכים זה את זה. דבר זה גורם למים להיות דביקים יותר מאשר מולקולות כמו מימן (H2) וחמצן (O2), שבהן האלקטרונים נחלקים באופן שווה.

ככל שמולקולה דביקה יותר סביר יותר למצוא אותה במצב נוזלי או מוצק ולא במצב גז. זה מסביר מדוע מים הם נוזלים בטמפרטורת החדר, בעוד שחמצן ומימן הם גזים. חומצה גופרתית ומולקולות נוספות שנפלטות לאוויר מֵעֵצִים (וּשְׁמָן בלועזית Terpenes, ראו במילון המונחים) הן דביקות יותר אפילו מאשר מים. באטמוספירה, הן נדבקות קודם זו לזו ומאוחר יותר מים נדבקים אליהן ומייצרים טיפות ענן.

כפי שראינו באיור 1, כמחצית החלקיקים שמתפקדים כזרעי עננים בשמיים מגיעים מהאדמה, כמו פיח, אבק או אבקנים. אנו קוראים לחלקיקים אלה חלקיקים ראשוניים. המחצית השנייה של החלקיקים נוצרת על-ידי התגרענות, כשהגזים הדביקים ביותר בשמיים נדבקים יחד [2]. המחקר שפרסמנו לאחרונה עוסק בגזים בשמיים אשר נדבקים זה לזה ויוצרים את החלקיקים שמתפקדים כזרעי עננים.

מה אנחנו יודעים על היווצרות חלקיקים

המולקולה המוצלחת ביותר, ככל הנראה, ביצירת חלקיקים בשמיים היא חומצה גופרתית. חומצה גופרתית מגיעה מהרי געש, פלנקטון בים ושריפה של דלק מאוּבָּנים (כמו לדוגמה פחם). המולקולות של חומצה גופרתית טובות מאוד בהידבקות למים, וגם בהידבקות זו לזו. משמעות הדבר היא שהן יכולות ליצור חלקיקים בשמיים ולהידבק למים, וכך ליצור זרעים של טיפות ענן.

עם זה, לעיתים אין בסביבה מספיק חומצה גופרתית כדי ליצור חלקיקים גדולים מספיק שיוכלו לתפקד כזרעי עננים. מולקולות חומצה גופרתית הן בעלות קוטר של כמחצית ננומטר בלבד, כך שנדרשות מולקולות רבות כדי לייצר חלקיקים גדולים מספיק שיכולים לתפקד כזרעי עננים (גודלו של זרע ענן הוא בסביבות 50 ננומטרים). כאשר שתי מולקולות חומצה גופרתית נדבקות יחד הן יכולות בקלות להתפרק שוב חזרה. צְבִיר של שתי מולקולות הוא בעל הסתברות קטנה להיהפך לזרע ענן.

מולקולות אחרות יכולות לִמְנֹעַ ממולקולות של חומצה גופרתית להיפרד זו מזו על-ידי קשירתן יחד. מולקולות של חומצה גופרתית נקשרות חזק יותר למולקולות מסוימות אחרות מאשר זו לזו. לכן, המולקולות הנוספות האלה יכולות למנוע את התפרקות צביר המולקולות למשך זמן ארוך מספיק, וכך לאפשר למולקולות חומצה גופרתית נוספות להתנגש בצביר, להידבק אליו ולהגדילו. חלקיקים גדולים יותר הם בעלי סיכוי גבוה יותר להישאר יחד מאחר שהרבה מולקולות לכודות בתוך החלקיקים ואינן יכולות לברוח. מנגנון זה מתואר איור 2.

איור 2 - כיצד מולקולות נדבקות זו לזו והופכות לזרעי ענן.
  • איור 2 - כיצד מולקולות נדבקות זו לזו והופכות לזרעי ענן.
  • כאשר המולקולות הראשונות (משמאל, מצוירות ככדורים שמחוברים זה לזה עם מקלות) מתחברות יחד, התוצאה היא צְבִיר מולקולות. בתוך הצביר, הקווים המקווקוים (באיור השני משמאל) מראים את כוחות המשיכה אשר מושכים את המולקולות זו אל זו. הצביר הזה אינו יציב ובקלות יכול להתפרק שוב. אם מולקולות נוספות מתנגשות בצביר הן יכולות להידבק אליו. אם הצביר גדל לגודל מספיק גדול כך שלא סביר שיתפרק, אנו מכנים אותו חלקיק (מסומן באיור כעיגול אדום). חלקיקים גדולים יותר יכולים לתפקד כזרעים לטיפות ענן. מספר הזרעים יכול לקטון אם חלקיקים קטנים נדבקים לחלקיקים גדולים יותר (מסומן באיור כעיגול חום). האיור עובד מתוך דיאגרמה שצוירה על ידי ג’ספר קירקבי (Jasper Kirby).

המחקר שלנו: מה מדביק יחד את מולקולות החומצה הגופרתית?

דֶּבֶק טוב עבור מולקולות של חומצה גופרתית הוא אָמוֹנְיָה [3]. בדומה לחומצה גופרתית, אמוניה רעילה בכמויות גדולות, אולם בגוף . שלנו יש יחד דבקים טובים אחרים למולקולות של חומצה גופרתית מגיעים מֵעֵצִים [4]. עצים, ובמיוחד עצי אורן, משחררים מולקולות שנקראות טֶרְפֶּנִים. טֶרְפֶּנִים נמצאים בין השאר במסירי צבע (טרפנטין). הן גם הסיבה לכך שֶׁיְּעָרוֹת אורן מריחים רעננים (הרבה יותר נחמד מריח שתן!). לאחר כמה תגובות כימיות עם מרכיבים אחרים באוויר, מולקולות אלה הופכות לדבק מוצלח. מהמחקר שלנו אנו מעריכים שכחמישית מהחלקיקים באטמוספירה נוצרו בעזרת טֶרְפֶּנִים, ששימשו כדבק שלהן. במקרים מסוימים, מולקולות שקשורות לטֶרְפֶּנִים אינן מהוות רק דבק מוצלח, אלא מסוגלות אפילו ליצור חלקיקים שאין בהם חומצה גופרתית כלל [5].

דבר אחד אחרון שחקרנו שחשוב להיווצרותם של חלקיקים בשמיים הוא קרינה קוֹסמית. אלה הם חלקיקים תת-אטומיים (ממש, ממש קטנים) שמגיעים מהחלל החיצון ומתנגשים כל הזמן בכדור הארץ. קרינה קוסמית יכולה להתנגש בחומצה גופרתית או במולקולות אחרות באטמוספירה, ולגרום להן להיות דביקות יותר. היא עושה זאת באמצעות ”הֶעפַת“ אלקטרונים מהמולקולות בהן היא מתנגשת, מה שמותיר אותן טעונות חיובית. אז האלקטרונים יכולים להידבק למולקולות אחרות ולהפוך אותן לטעונות שלילית. בדיוק כפי שֶׁמִּטְעָנִים הפוכים מושכים זה את זה, מולקולות טעונות חשמלית יכולות למשוך זו את זו בתוך החלקיק. המשיכה הזו עוזרת לחלקיקים להישאר כיחידה אחת ולא להתפרק [6]. המחקר שלנו אִפְשר לנו להעריך, טוב יותר מאי פעם, כמה חשובה הקרינה הקוסמית בהיווצרות חלקיקים באטמוספירה.

כיצד גילינו את כל זה?

מדענים בדרך כלל בוחנים את הרעיונות שלהם באמצעות עריכת ניסויים. יש לנו מעבדה מיוחדת בשווייץ שבה אנחנו יכולים לערוך ניסויים ליצירת חלקיקים. המעבדה היא חלק ממרכז מחקר גדול שנקרא סֶרְן (CERN), אותו המקום שבו נמצא מאיץ החלקיקים הגדול בעולם – LHC (ראשי תיבות של Large Hadron Collider). הניסוי שמשתמש במאיץ ה-LHC גדול הרבה יותר מהניסוי שלנו, ובו יוצרים התנגשויות בין חלקיקים תת-אטומיים (שדומים מאוד לקרינה הקוסמית). מדענים שעובדים ב-LHC מנסים להבין כיצד היקום התחיל ומה נמצא בתוך האטומים שאנחנו מורכבים מהם. הניסוי הקטן יותר שלנו מְכֻנֶּה CLOUD, ענן בתרגום ישיר וראשי תיבות של Cosmic Leaving Outdoor Droplets (כשהכוונה היא יצירה של טיפות ענן באמצעות חלקיקי קרינה).

ניסויי ה- http://cloud.web.cern.ch/) [1]CLOUD) מתרחשים במְָכל מתכת גדול, שגובהו ורוחבו עומדים על כ-3 מטרים, אשר ממולא באוויר. בתוך המכל (איור 3) אנו מערבבים גזים שאנו חושבים שֶׁיִּצְרוּ חלקיקים, ומודדים כמה מהר החלקיקים מופיעים. באטמוספירה ישנם סוגים רבים של גזים וקשה להבין אלה גזים מייצרים חלקיקים ואלה לא.

איור 3 - ניסוי ה-CLOUD בסרן (CERN).
  • איור 3 - ניסוי ה-CLOUD בסרן (CERN).
  • המכל שבמרכז התמונה מכוסה בשכבת בידוד שמטרתה לשמור על הטמפרטורה שבתוכו קבועה. לִבְנֵי הבטון שברקע שומרות על החלקיקים התת-אטומיים בתוך המאיץ, והרחק ממדענים שעובדים במסדרון. התמונה צולמה על-ידי Antti Onnela.

המכל שלנו מיוחד מאחר שהוא נקי באופן יוצא דופן: האוויר שלנו מיוצר באופן מלאכותי על- ידי ערבוב של חנקן נוזלי עם חמצן נוזלי, והמכל אטוּם כך ששום זיהום לא יכול להיכנס מבחוץ. אנחנו מכניסים למכל רק גזים בודדים, ויודעים בדיוק איזו כמות מכל גז הכנסנו. זה מאפשר לנו למדוד כמה כל גז דביק.

בעזרת CLOUD אנחנו יכולים גם לראות כיצד קרינה קוסמית מסייעת להיווצרות חלקיקי זרעי ענן, באמצעות הכנסה של חלקיקים תת-אטומיים המיוצרים בניסויים אחרים ב-CERN אל תוך המכל שלנו. ההשפעה של הדבר היא כמו להכניס קרינה קוסמית למכל שלנו. בדומה לקרינה קוסמית, החלקיקים התת-אטומיים גורמים למולקולות להיות דביקות יותר. אנחנו יכולים לראות כמה חלקיקים נוספים נוצרים כשאנחנו מכניסים את הקרינה הקוסמית המלאכותית הזו, וזה מסייע לנו להבין את השוני שקרינה קוסמית מחוללת בהיווצרות חלקיקים.

באטמוספירה, מספר חלקיקי הקרינה הקוסמית גבוה יותר בגובה (Altitude) רב יותר (למשל במטוסים או על פסגות הרים) מאשר בגובה פני הקרקע, מאחר שהם נבלעים על-ידי האוויר. לכן, באמצעות שימוש בחלקיקים הנוספים שמשתמשים בהם בניסויים אחרים בסרן, אנחנו יכולים לשעתק את התנאים שמתקיימים גבוה באטמוספירה. זו הסיבה העיקרית לכך שניסוי ה CLOUD-מ מוקם בסרן. לאחר שמדדנו בניסוי ה-CLOUD באיזו מידה הגזים נדבקים זה לזה, השתמשנו בתוצאות בהדמיה (סימולציה) ממוחשבת של חלקיקים באטמוספירה. הדמיה זו מורכבת מקבוצה של ’מתכונים’ מתמטיים המתארים את כל התהליכים שמוצגים באיור 1, אשר נכתבים בתוכנת מחשב גדולה [7]. תוכנה זו (איור 4) אומרת לנו מהי הכמות של חלקיקי גז דביקים בכל הנקודות באטמוספירה הנמוכה (בגובה של עד 20 קילומטרים מעל פני השטח של כדור הארץ). באמצעות הנתונים האלה על כמויות הגזים אנחנו יכולים להשתמש בתוצאות מניסויי ה-CLOUD כדי לחשב כמה חלקיקים אמורים להיווצר כל שנייה, או במהלך יום שלם. כאשר החלקיקים נכנסים להדמיה שלנו, אנחנו מייצרים מודל שמדמה כיצד הם גדלים או נדבקים זה לזה ויוצרים זרעי עננים, וכיצד הם מגיעים לקרקע (כטיפות גשם). כך אנו מגלים אלו דרכי היווצרות של חלקיקים משמעותיות יותר ופחות בכל אחד מהאזורים באטמוספירה.

איור 4 - תרשים זרימה שמסביר על ההדמיה הממוחשבת שבעזרתה הפכנו את הניסויים ב-CLOUD לתחזיות לגבי ההשפעות של היווצרות חלקיקים באטמוספירה על אקלים כדור הארץ.
  • איור 4 - תרשים זרימה שמסביר על ההדמיה הממוחשבת שבעזרתה הפכנו את הניסויים ב-CLOUD לתחזיות לגבי ההשפעות של היווצרות חלקיקים באטמוספירה על אקלים כדור הארץ.
  • תוכנת המחשב משלבת את התוצאות שלנו על טיב ההידבקות של מולקולות זו לזו עם הַעֲרָכוֹת לגבי כמות הגזים הדביקים שנמצאים בכל מקום באטמוספירה. זה מאפשר לנו להבין כמה חלקיקים נוצרים בפרק זמן מסוים בכל אחד מחלקי האטמוספירה. לאחר מכן, אנחנו מְחַשְּׁבִים כמה חלקיקים אובדים באותו הזמן, כשהם נדבקים זה לזה או נופלים לקרקע. איזון בין היווצרות חלקיקים לאובדנם מאפשר לנו להבין כמה חלקיקים יש בכל אחד מחלקי האטמוספירה. אז אנו יכולים לראות כיצד הוֹספה של חלקיקים יכולה להשפיע על הבהירוּת של העננים במקום מסוים: זרעי עננים רבים יותר גורמים לעננים בהירים יותר. באמצעות המידע הזה אנחנו יכולים לחשב איזה אחוז מאנרגיית השמש יוחזר לאטמוספירה, ומה ההשלכות של כך על אקלים כדור הארץ.

מה המשמעות של כל זה?

לפני מאתיים שנים הייתה באטמוספירה כמחצית מכמות החומצה הגופרתית שיש בה כיום. הסיבה העיקרית לכך היא ששרפנו הרבה פחם במאתיים השנים האחרונות (בעיקר עבור ייצור חשמל לצרכים תעשייתיים). לכן, מה שגורם עכשיו להיווצרות של גרעיני התעבות יכול להיות שונה ממה שגרם להיווצרותם בעבר. לפני שהתחלנו לשרוף הרבה פחם, שחרור של טֶרְפֶּנִים מֵעֵצִים ודאי היה משמעותי יותר, וחומצה גופרתית הייתה משמעותית פחות [8].

לכן, בעתיד, כאשר נפסיק לשרוף פחם מלוכלך, שחרור של טֶרְפֶּנִים מֵעֵצִים ישוב להיות גורם משמעותי. במקומות מסוימים תהיה לנו פחות חומצה גופרתית שתוכל ליצור זרעי עננים, ובאופן כללי יהיו פחות זרעי עננים בשמיים. העננים שיווצרו יכילו ככל הנראה את אותה כמות המים, אך כמות טיפות קטנה יותר וטיפות גדולות יותר. זה יכול להגדיל את הסבירוּת לשחרור המים מתוך העננים בְּצוּרַת גשם. בנוסף, פחות אור שמש יוחזר לחלל על ידי העננים וכתוצאה מכך אפקט ההתחממות הגלובלית, שנגרמת כתוצאה מפליטת גזי חממה, יהפוך למשמעותי יותר. המחקר שלנו מספק הערכה למידת החשיבוּת של מולקולות מעצים, בהשוואה לאמוניה, עבור יצירת חלקיקים של זרעי ענן. המידע הזה יסייע למדענים להעריך עד כמה השינוי הצפוי במידת הניקיון של האוויר (בין השאר בעקבות הפחתה בשריפת פחם) עשוי להשפיע על אקלים כדור הארץ שלנו.

מילון מונחים

צְבִיר (Cluster): כמות קטנה של מולקולות שנדבקו יחד. צבירים יכולים לגדול ולהפוך לחלקיקים אטמוספיריים אם מולקולות נוספות מתנגשות בצביר ונדבקות אליו.

גז חממה (Greenhouse gas): גז באטמוספירה אשר סופג אנרגיה מהשמש, כמו למשל פחמן דו-חמצני. מולקולות אשר מוּרכבוֹת מִיּוֹתֵר משני אטומים הן בעלוֹת סבירוּת גבוהה יותר להפוך לגזי חממה.

התגרענוּת (נוקלאציה): בהקשר של מאמר זה המשמעות היא היווצרות של חלקיקים בשמיים באמצעות מולקולות גז שנדבקות יחד. התהליך הזה נקרא גם ”היווצרות חלקיקים מִשְׁנִית“ (Secondary particle formation) או ”היווצרות של חלקיק חדש“ (New particle formation).

זרע ענן, גרעין התעבות (Cloud seed): חלקיק שנמצא באטמוספירה ומים יכולים להתעבות עליו וליצור טיפת ענן. לרוב זרעי עננים הם בקוטר של 50 ננומטרים לפחות.

חלקיק ראשוני (Primary particle): חלקיק באטמוספירה אשר מגיע ישירות מהאדמה, במקום מהיווצרות על-ידי התגרענוּת. דוגמאות לחלקיקים ראשוניים שנצפים לעיתים קרובות באטמוספירה הן עשן (פיח), אבק ומלח ים.

טֶרְפֶּנִים (Terpenes): מולקולות שנפלטות מֵעֵצִים והן בעלות עשָׂרה אטומי פחמן ושש-עשרה מולקולות מימן (נוסחה כימית C10H16). התגובה בין המולקולות האלה לבין חמצן יוצרת מולקולות אשר גורמות להיווצרות חלקיקים באטמוספירה.

קרינה קוסמית (Cosmic ray): חלקיקים תת-אטומיים בעלי אנרגיה גבוהה אשר מגיעים אל כדור הארץ מהחלל החיצון.

חלקיק תת-אטומי: חלקיקים קטנים יותר מאטוֹמים. החלקיקים התת-אטומיים הנפוצים ביותר הם פְּרוֹטוֹנים, נוֹיְטְרוֹנִים ואלקטרונים, והם אלה שמרכיבים אטוֹמים. קרינה קוסמית יכולה להכיל גם חלקיקים תת-אטומיים אקזוטיים יותר, כמו פאיונים או מיואונים.

סרן (CERN): ארגון אירופי למחקר גרעיני, מעבדת הבית של ניסוי הענן (CLOUD) וכמה ניסויים אחרים הכוללים חלקיקים תת-אטומיים. במסגרת הניסויים הגדולים ביותר בסרן נעשה שימוש בחלקיקים תת-אטומיים ממאיץ החלקיקים הגדול בעולם - LHC (קיצור של Large Hadron Collider).

Altitude: הגובה (בדרך כלל בק“מ) מעל פני השטח של כדור הארץ.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מאמר המקור

Dunne, E. M., Gordon, H., Kürten, A., Almeida, J., Duplissy, J., Williamson, C., et al. 2016. Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements. Science 354:1119–24. doi:10.1126/science.aaf2649


מקורות

[1] Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G-K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., et al., eds. 2013. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the IPCC. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

[2] Merikanto, J., Spracklen, D. V., Mann, G. W., Pickering, S. J., and Carslaw, K. S. 2009. Impact of nucleation on global CCN. Atmos. Chem. Phys. 9:8601–16. doi:10.5194/acp-9-8601-2009

[3] Kulmala, M., Pirjola, U., and Mäkelä, J. M. 2000. Stable sulphate clusters as a source of new atmospheric particles. Nature 404:66–9. doi:10.1038/35003550

[4] Went, F. W. 1960. Blue hazes in the atmosphere. Nature 187:641–3. doi:10.1038/187641a0

[5] Kirkby, J., Duplissy, J., Sengupta, K., Frege, C., Gordon, H., Williamson, C., et al. 2016. Ion-induced nucleation of pure biogenic particles. Nature 533:521–6. doi:10.1038/nature17953

[6] Kirkby, J., Curtius, J., Almeida, J., Dunne, E., Duplissy, J., Ehrhart, S., et al. 2011. Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation. Nature 476:429–33. doi:10.1038/nature10343

[7] Spracklen, D. V., Pringle, K. J., Carslaw, K. S., Chipperfield, M. P., and Mann, G. W. 2005. A global off-line model of size-resolved aerosol microphysics: I. Model development and prediction of aerosol properties. Atmos. Chem. Phys. 5:2227–52. doi:10.5194/acp-5-2227-2005

[8] Gordon, H., Sengupta, K., Rap, A., Duplissy, J., Frege, C., Williamson, C., et al. 2016. Reduced anthropogenic aerosol radiative forcing caused by biogenic new particle formation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:12053–8. doi:10.1073/pnas.1602360113