قارهی منجمد جنوب، در نگاه اول دنیایی از یخ و برف بیپایان است؛ اما اگر سر را بالا بگیریم و به ابرها نگاه کنیم، داستان کمی متفاوت میشود. پژوهشهای تازه نشان میدهد آسمان بالای اقیانوس منجمد جنوبی و پیرامون قطب جنوب، به طرز شگفتانگیزی از ذرات لازم برای تشکیل بلورهای یخ در ابرها تهی است؛ پدیدهای ظریف اما مهم که میتواند بر آبوهوای نیمکره جنوبی و سرعت گرمایش جهانی اثر بگذارد.
ابرهایی که یخ کم دارند؛ داستان «ذرات هستهزای یخ»
برای اینکه درون یک ابر، بلورهای یخ تشکیل شود، فقط دمای پایین کافی نیست. ابرها به ذرات بسیار ریزی نیاز دارند که نقش «بذر» را برای بلور یخ بازی کنند. در علم جوّ به این ذرات ذرات هستهزای یخ یا INP (Ice-Nucleating Particles) گفته میشود.
این ذرات میتوانند از منابع گوناگونی بیایند: گرد و غبار معدنی، خاکهای حملشده با باد، خاکستر آتشفشانی، ذرات نمک حاصل از پاشش امواج دریا، یا حتی پروتئینهایی که از موجودات زنده به هوا راه پیدا میکنند. زمانی که دما به اندازه کافی پایین است، مولکولهای آب درون ابر روی سطح همین ذرات منجمد شده و بلورهای یخ را میسازند.
اما در بالای اقیانوس منجمد جنوبی و اطراف قطب جنوب – منطقهای که اغلب بهعنوان «بزرگترین صحرای یخی جهان» شناخته میشود – این بذرهای یخ بسیار کمیاباند. گروهی از دانشمندان آلمانی و بینالمللی با تحلیل فیلترهای هوا از چند ایستگاه تحقیقاتی در قارهی جنوب، متوجه شدند غلظت INP در این بخش از جو زمین بهطرز غیرمنتظرهای پایین است.
هایک وکس، دانشمند لایه تروپوسفر از مؤسسه لیبنیتس در آلمان میگوید: «تا جایی که میدانیم، هرگز چنین مجموعه طولانیمدتی از فیلترهای هوا که بتوان از آنها ذرات هستهزای یخ را روی خشکی اصلی قطب جنوب اندازهگیری کرد، در دسترس نبوده است.» او و همکارانش پیشنهاد میکنند یکی از دلایل کمبود این ذرات، نبودِ منابع زیستی کارآمدی است که در بسیاری از مناطق دیگر زمین – از جمله در تابستانِ قطب شمال – فراوان دیده میشود.
چگونه کمبود ذرات یخ، ابرها و اقلیم را تغییر میدهد؟
نتایج این پژوهش فقط یک کنجکاوی علمی نیست؛ بلکه به درک ما از چرخه آب در جو، تشکیل ابرها و تغییرات اقلیمی گره خورده است. وقتی ذرات هستهزای یخ کم باشد، بخش بیشتری از آب درون ابرها به صورت آب فوقسرد باقی میماند؛ یعنی آبی که دما زیر صفر است اما هنوز منجمد نشده است.
ابرهایی که سرشار از قطرات آب فوقسرد هستند، نور خورشید را کارآمدتر از ابرهای یخی بازمیتابانند. این بازتابش قویتر، مانند یک آینهی بزرگ در آسمان عمل کرده و بخشی از انرژی خورشید را قبل از رسیدن به سطح اقیانوس و یخهای قطبی به فضا بازمیگرداند. به بیان ساده، این نوع ابرها یک سپر نوری برای نیمکره جنوبی ایجاد میکنند که میتواند تا حدی از سرعت گرمایش ناشی از تغییرات اقلیمی بکاهد.
اما این سپر چندان هم تضمینشده نیست. سیلویا هنینگ، دیگر پژوهشگر تروپوسفر از مؤسسه لیبنیتس هشدار میدهد که با ادامهی گرمایش جهانی، ممکن است غلظت INP در جو قطب جنوب افزایش یابد. چرا؟ با پسروی یخچالها و کاهش پوشش یخ، خشکیهای بیشتری نمایان میشود، بستر خاک و صخره در معرض باد قرار میگیرد و فرصت برای رشد گیاهان و فعالیت بیشتر زیستکره (بیوسفر) فراهم میشود؛ همهی اینها یعنی منابع جدید برای ذرات هستهزای یخ.
اگر تعداد این ذرات در جو افزایش پیدا کند، ابرها سریعتر یخ میزنند، مقدار آب مایعِ فوقسرد کمتر میشود و در نتیجه قدرت بازتابش ابرها کاهش مییابد. این تغییر ظریف در ریزفیزیک ابرها میتواند بخشی از انرژی خورشید را که پیشتر بازتاب میشد، به سطح زمین بازگرداند و از طریق یک بازخورد مثبت اقلیمی، گرمایش منطقه را تشدید کند.
پژوهشی محدود در فضا، اما مهم برای مدلهای اقلیمی
این مطالعه بر پایه نمونهبرداری از هوای پیرامون سه ایستگاه قطب جنوب انجام شد؛ یعنی پوشش جغرافیایی آن هنوز کامل نیست. با این حال، دانشمندان معتقدند غلظت پایین INP که در دو ایستگاه جنوبیتر مشاهده شده، میتواند در سایر بخشهای قاره نیز دیده شود. برای اطمینان، به دادههای بیشتری نیاز است: شبکهای گستردهتر از ایستگاهها، نمونهبرداری در فصلهای مختلف و ترکیب این اطلاعات با ماهوارهها و مدلسازی عددی.
با وجود محدودیتها، همین دادههای اولیه برای بهبود مدلهای اقلیمی جهانی ارزشمند است. بسیاری از عدمقطعیتهای موجود در پیشبینی آبوهوا و اقلیم، به نحوهی شبیهسازی تشکیل ابرها و برهمکنش آنها با تابش خورشید برمیگردد. اگر رفتار خاص ابرهای بالای اقیانوس منجمد جنوبی – بهویژه کمبود ذرات هستهزای یخ – در مدلها لحاظ شود، ارزیابی آیندهی گرمایش نیمکره جنوبی و پاسخ یخهای قطبی میتواند دقیقتر شود.
چشمانداز آینده؛ از رصد بیشتر تا پیشبینی دقیقتر
این کشف، پرسشهای تازهای را پیش پای دانشمندان اقلیم و فیزیک جو گذاشته است: آیا با پیشروی تغییرات اقلیمی، «سپر ابری» نیمکره جنوبی ضعیف خواهد شد؟ نقش طوفانهای گرد و غبار، آتشفشانها و تغییرات زیستمحیطی اقیانوس منجمد جنوبی در این روند چیست؟
برای یافتن پاسخ، پژوهشگران به سراغ ابزارهای پیشرفتهتری میروند: آشکارسازهای حساستر برای ذرات هستهزای یخ، رصدهای بلندمدت با هواپیماها و بالنهای تحقیقاتی، و تحلیل دادههای ماهوارهای که میتواند ساختار عمودی ابرها و مقدار آب مایع و یخ در آنها را مشخص کند. چنین دادههایی زمینه را برای پیشبینیهای اقلیمی منطقه قطب جنوب – از ذوب یخچالها گرفته تا تغییر الگوهای بارش در نیمکره جنوبی – فراهم خواهد کرد.