В рамках проекта CLOUD, который проводится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) при активном участии ученых из ФИАНа, исследуются процессы образования облаков в земной атмосфере и роль в этих процессах антропогенного воздействия, космических лучей и других факторов. Уже получены данные о важном влиянии на скорость образования облаков таких факторов, как ионизация атмосферы и содержание молекул различных веществ.
Установка для эксперимента CLOUD представляет собой стальную цилиндрическую камеру (диаметр – 3 м, высота – 2.8 м), в которой искусственно создают условия земной атмосферы. В ней можно изменять состав и степень ионизации газообразной смеси, а также её температуру и давление. От ускорителя к камере подводится пучок заряженных частиц, пионов, с энергией ~ 3 ГэВ. Годоскоп, прибор для измерения потока частиц от ускорителя, был создан силами сотрудников ФИАНа. Он даёт информацию о пространственном и временном распределении заряженных пионов, инжектируемых ускорителем. Также создан прибор для измерения потока космических частиц в месте проведения эксперимента.
Внимание к космическим лучам (потокам высокоэнергетичных заряженных частиц в земной атмосфере) неслучайно. Они являются основным источником ионов в атмосфере и оказывают заметное влияние на многие атмосферные процессы, включая образование облачности. В конце XX века датскими учеными была обнаружена связь изменений потока космических лучей и изменений площади облачного покрова над Атлантическим океаном. Основная причина такой взаимосвязи – ионизация атмосферы. После взаимодействия высокоэнергичных заряженных частиц с молекулами атмосферы, в ней образуются ионы, которые влияют на процесс нуклеации. Они легко прилипают к различным аэрозолям и конгломератам нейтральных молекул, будущим центрам облакообразования. Так как космические лучи в нашей Галактике существуют постоянно, то и ионы в атмосфере присутствуют всегда – изменяется только их концентрация в зависимости от потока космических частиц.
В настоящее время физический механизм нуклеации в атмосфере не ясен окончательно, несмотря на то, что она является одной из главных причин, определяющих образование облачности и, в конечном итоге, изменений климата на Земле. Проект CLOUD направлен на изучение этого механизма. Запланировано проведение большого ряда экспериментов с различными компонентами, наблюдаемыми в реальной земной атмосфере. Ранее в экспериментах было установлено, что скорость нуклеации значительно возрастает с увеличением концентрации паров серной кислоты H2SO4, и аммиака, которые служат центрами конденсации молекул воды. Присутствие же ионов (не важно, как они образовались – после взаимодействия с частицами космических лучей или с ускоренными пионами) увеличивает скорость нуклеации в десятки раз. Однако, реальные скорости нуклеации в нижней части атмосферы значительно (в сотни раз) превосходят эти результаты.
Поэтому в эксперименте CLOUD стали исследоваться процессы формирования аэрозолей не только с участием паров серной кислоты и аммиака, но и других компонент, которые могли бы играть ключевую роль в процессах нуклеации. Уже получены первые данные о критически важном влиянии ряда веществ в очень небольшой концентрации. В частности, эксперименты показали, что незначительные добавки диметиламина (C2H7N) в рабочей камере увеличивают скорость нуклеации на 2-3 порядка, что вполне сопоставимо с наблюдаемыми природными процессами.
Эксперименты по проекту CLOUD ещё далеко не закончены. Научная программа проекта предусматривает не только экспериментальное и теоретическое исследование механизмов образования центров зарождения облачности, но и, например, образования грозовых облаков и создания в них сильных электрических полей. Значительная часть экспериментов будет посвящена изучению роли знака электрического заряда ионов в этих процессах. Важной задачей эксперимента CLOUD является также исследование влияния аэрозольных частиц, аминов и кислотных примесей на атмосферные процессы, что позволит, в конечно итоге, выяснить роль естественных и антропогенных причин наблюдаемого последние полвека глобального изменения климата на Земле.
Решение вопросов, поставленных перед экспериментаторами в проекте, позволит не просто понять физические причины изменения земного климата, но и, при самых смелых фантазиях, научиться этими изменениями управлять на благо человечества.
По материалам «ФИАН-информ»
