نقش شگفت‌انگیز قندهای دریایی در یخ‌زدگی ابرها و تأثیر آن بر اقلیم زمین

1

ذرات بسیار ریز مواد آلی که روی سطح اقیانوس شناورند، می‌توانند در شکل‌گیری ابرهای یخ‌زده در یکی از پاک‌ترین نواحی زمین نقش ایفا ‌کنند.

طبق پژوهشی جدید، مولکول‌های پیچیده قندی که توسط میکروب‌های دریایی تولید می‌شوند، قادرند فرآیند یخ‌زدگی قطرات ابر را در سراسر اقیانوس جنوبی فعال کنند. این فرآیند دقیقاً در بازه دمایی رخ می‌دهد که تعیین می‌کند ابرهای روشن و خنک‌کننده تا چه مدت باقی می‌مانند و چه مقدار از نور خورشید را به فضا بازتاب می‌دهند.

پیش‌زمینه‌ای از پژوهش

ترکیبی از مشاهدات میدانی، آزمایشگاهی و مدل‌سازی رایانه‌ای

این تحقیق حاصل سال‌ها فعالیت‌های میدانی، آزمایش‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای است که توسط دانشمندان مؤسسه تحقیقات تروپوسفری لایب‌نیتس (TROPOS) و شرکای بین‌المللی آن انجام شده است.

یافته‌های این پژوهش می‌تواند دلیل عدم دقت مدل‌های اقلیمی در پیش‌بینی روشنایی ابرها در مناطق دورافتاده اقیانوس جنوبی را توضیح دهد؛ مناطقی که در آن‌ها گرد و غبار بسیار کم، و آلودگی ناشی از فعالیت‌های انسانی بسیار ناچیز است.

ابرها بدون کمک نمی‌توانند یخ بزنند

نقش ذرات هسته‌زای یخ

ابرها به خودی خود یخ نمی‌زنند، بلکه برای این فرآیند به ذراتی به نام «هسته‌های یخ‌زایی» (INP) نیاز دارند. این ذرات میکروسکوپی قطرات مایع را به یخ تبدیل می‌کنند. نوع ذره غالب در این فرآیند، وابسته به دماست.

در نواحی پاکی مانند اطراف جنوبگان و اقیانوس جنوبی، میزان این ذرات بسیار پایین است. حتی تغییرات جزئی در تعداد آن‌ها می‌تواند تأثیر زیادی بر بازتابندگی ابرها، بارندگی و طول عمر آن‌ها داشته باشد.

برای پیش‌بینی دقیق گرمایش جهانی، مدل‌های اقلیمی باید ترکیب صحیح این ذرات را در نظر بگیرند.

افزایش قند، سرنخی کلیدی

نقطه عطف در سفر Polarstern

دانشمندان مدت‌هاست که به زیست‌شناسی دریایی به‌عنوان منبعی احتمالی برای INPها مشکوک بوده‌اند، اما ماده دقیق هنوز ناشناخته باقی مانده بود.

یک نقطه عطف در سال ۲۰۱۷ و در جریان سفر تحقیقاتی Polarstern (ماموریت PS106) رقم خورد.

«در این سفر افزایش غلظت گلوکز در نمونه‌های قطبی مشاهده شد و ما به این نتیجه رسیدیم که این گلوکز می‌تواند نشانگری برای وجود هسته‌های یخ‌زایی در آب دریا باشد،»
به گفته دکتر سباستین تسپن‌فلد، نویسنده ارشد پژوهش از TROPOS.

او افزود:

«گلوکز یک مونوساکارید و محصول تجزیه پلی‌ساکاریدها است. بنابراین، به وضوح می‌توان حدس زد که پلی‌ساکاریدها همان قطعه گمشده پازل هستند.»

قندهای دریایی و یخ‌زدگی ابرها

آزمایش در لایه میکرونی سطح دریا

برای آزمودن این فرضیه، پژوهشگران نمونه‌هایی از لایه میکرونی سطح دریا جمع‌آوری کردند. این لایه زنده مملو از باکتری، جلبک، دیاتومه، قارچ، پروتیست، ویروس و دیگر موجودات میکروسکوپی است.

تا پیش از این، نقش احتمالی قارچ‌های دریایی در یخ‌زایی ابرها تا حد زیادی نادیده گرفته شده بود.

در آزمایشگاه، سوزان هارتمن – یکی از نویسندگان مقاله از TROPOS – با استفاده از تست INDA، فرآیند یخ‌زدگی قطرات را بررسی کرد.

«ما یخ‌زایی پلی‌ساکاریدهای دریایی استخراج‌شده از قارچ‌ها و پروتیست‌ها را، همراه با پلی‌ساکاریدهای استاندارد تجاری، بررسی کردیم.»

نتایج این آزمایش‌ها، نخستین داده‌های دمایی از یخ‌زدگی قطرات را ارائه دادند که نشان می‌دهند چه مقدار هسته یخ از این قندهای دریایی تولید می‌شود.

تکمیل خلأ موجود در مدل‌های ابر

سهم اصلی در دمای میانی

تحقیقات پیشین نشان داده بودند که پروتئین‌ها معمولاً یخ‌زدگی را در دماهای گرم‌تر (حدود بالای -۲ درجه سلسیوس) آغاز می‌کنند، درحالی‌که گرد و غبار معدنی در دماهای بسیار پایین‌تر (زیر -۲۰ درجه سلسیوس) غالب است.

اما نیم‌کره جنوبی منابع گرد و غبار معدنی بسیار محدودی دارد. در آنجا بسیاری از ابرها در دماهای بینابینی معلق می‌مانند؛ یعنی دقیقاً همان بازه‌ای که طبق این پژوهش، پلی‌ساکاریدهای دریایی بیشترین اثربخشی را دارند.

تحلیل مدل جهانی TM5

رولاند شرودنر، نویسنده اصلی این تحقیق، داده‌ها را با مدل شیمی جوی TM5 تحلیل کرد:

«در شبیه‌سازی‌ها نشان دادیم که در دمای منفی ۱۵ تا ۱۶ درجه سلسیوس، پلی‌ساکاریدها در نواحی وسیع اقیانوس‌های نیم‌کره جنوبی، احتمالاً مهم‌ترین هسته‌های یخ‌زایی هستند.»

«این قندها سهم بیشتری در یخ‌سازی دارند نسبت به گرد و غبار معدنی که در مدل‌های اقلیمی به‌عنوان عامل اصلی شناخته شده است. این یافته، کشف مهم و جدیدی برای مدل‌های اقلیمی محسوب می‌شود.»

داده‌های سال‌ها تحقیق در تأیید نقش قندها

ترکیب آزمایش‌ها و داده‌های میدانی

این مطالعه از همکاری نزدیک بین گروه‌های فیزیک آئروسل، شیمی جوی و مدل‌سازی اقلیمی در TROPOS بهره برده است.

نمونه‌برداری از غلظت پلی‌ساکاریدها در چندین ماموریت انجام شده است، از جمله:

• مأموریت اسپانیایی PI-ICE در جنوبگان،
• سفرهای PASCAL/PS106 در قطب شمال،
• کمپین MarParCloud در اقیانوس اطلس گرمسیری،
• و اندازه‌گیری‌های بلندمدت در مجمع‌الجزایر سوالبارد.

تنها با ترکیب این داده‌ها، آزمایش‌های آزمایشگاهی و شبیه‌سازی‌های عددی، تیم پژوهش توانست اثر اقلیمی قندهای دریایی را کمی‌سازی کند.

گام‌های بعدی در پژوهش یخ ابرها

آینده تحقیقاتی در هوای پاک

اگر کشورها موفق به کاهش آلاینده‌های انسانی شوند، ذرات آئروسل طبیعی نقش مهم‌تری در رفتار ابرها خواهند داشت. مناطق دارای هوای پاک – مانند نیم‌کره جنوبی – حتی به تغییرات کوچک در میزان آئروسل‌ها حساس‌اند، و به همین دلیل به‌عنوان آزمایشگاه طبیعی ایده‌آل شناخته می‌شوند.

از ژوئیه ۲۰۲۵، مأموریت هوایی HALO‑South – به سرپرستی TROPOS – برای مطالعه ابرها، آئروسل‌ها و تابش‌ها در نزدیکی نیوزیلند آغاز خواهد شد.

از سپتامبر ۲۰۲۵ تا مارس ۲۰۲۷، کمپین زمینی goSouth‑2 نیز با تجهیزات سنجش از راه دور پیشرفته در نزدیکی اینورکارگیل برگزار خواهد شد تا روند تکامل ابرها در این محیط بکر زیر نظر گرفته شود.

ارتباط عمیق میان زیست دریا و جو زمین

این شواهد جدید که نشان می‌دهند پلی‌ساکاریدهای دریایی به تشکیل یخ در بخش‌های وسیعی از اقیانوس جنوبی کمک می‌کنند، به‌روشنی نشان می‌دهد که آنچه در آب‌های زیرین رشد می‌کند، می‌تواند آسمان بالای سر را تغییر دهد – و از طریق ابرها، بر اقلیم زمین اثر بگذارد.