Как в ЦЕРНе изучают облака
Эксперимент CLOUD, который проводится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) при активном участии ученых из ФИАНа, очень необычен для Европейского ядерного центра. В нём исследуют процессы образования облаков в земной атмосфере и пытаются понять роль антропогенного воздействия, космических лучей и других факторов в этом явлении. По итогам первого этапа работы проекта уже получены данные о критически важном влиянии на скорость образования облаков таких факторов, как ионизация атмосферы и содержание различных молекул.
Сама установка эксперимента CLOUD представляет собой стальную цилиндрическую камеру (диаметр – 3 м, высота – 2.8 м), в которой искусственно создают условия земной атмосферы (см. рисунок). В ней можно изменять состав и степень ионизации газообразной смеси, а так же её температуру и давление. От ускорителя к камере подводится пучок заряженных частиц, пионов, с энергией ~ 3 ГэВ.
На фото: Общий вид экспериментальной установки международного эксперимента CLOUD в ЦЕРНе
[Nature 476, №7361, 2011].
Комментируют Владимир Махмутов, заведующий лабораторией физики Солнца и космический лучей ФИАН, руководитель эксперимента CLOUD с российской стороны, и главный научный сотрудник ФИАН, профессор Юрий Стожков.
«Годоскоп, прибор для измерения потока частиц от ускорителя, был создан силами сотрудников ФИАН – он даёт информацию о пространственном и временном распределении заряженных пионов, инжектируемых ускорителем. Так же мы создали прибор для измерения потока космических частиц в месте проведения эксперимента CLOUD. Мы контролируем работу этих приборов, чтобы знать физические условия, в которых проводится эксперимент»
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. Так, в конце XX века датскими учеными были получены указания на 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 сам физический механизм нуклеации в атмосфере окончательно не ясен, несмотря на то, что она является одной из главных причин, определяющих процесс образования облачности и, в конечном итоге, климата на Земле. Проект CLOUD направлен на изучение этого механизма. Запланировано проведение большого ряда экспериментов с различными компонентами, наблюдаемыми в реальной земной атмосфере» – отмечает Владимир Махмутов.
Ранее в экспериментах CLOUD 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 атмосфере 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 [Nature, 502, №7471, 2013].
«Эксперимент CLOUD ещё далеко не закончен. Научная программа проекта, в разработке которой активно участвует и наша группа, 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 обсуждаемых выше 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» – Юрий Стожков.
Решение вопросов, поставленных перед экспериментаторами в проекте CLOUD, позволит не просто понять физические причины изменения земного климата, но и, при самых смелых фантазиях, научиться этими изменениями управлять на благо человечества.
М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»
