قياس خصائص جزيئات السخام من حرائق الغابات لمعرفة كيفية تأثيرها على مناخ الأرض وصحة الإنسان
لن يطير الكثير من الناس طواعية عبر أعمدة الدخان المنبعثة من حرائق الغابات، لكن علماء الغلاف الجوي من مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يقومون، مرارًا وتكرارًا، بتتبع مسارات الطيران التي قد تجعل ركاب الطائرات العاديين مرضى.
فما هدفهم؟ قياس خصائص جزيئات السخام المنبعثة من حرائق الغابات حتى يتمكنوا من معرفة كيفية تأثير هذه الأعمدة على مناخ الأرض.
الجفاف بسبب زيادة درجات الحرارة العالمية
يقول العلماء إن النمذجة الصحيحة لتأثير هذه الجسيمات أمر مهم، لأن حرائق الغابات تتزايد من حيث الشدة والتكرار، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الجفاف الناجم عن زيادة درجات الحرارة العالمية وتغير الدورات الهيدرولوجية.
قال آرثر سيدلاسيك، أحد الذين أخذوا عينات الدخان الجريئة: “نحتاج إلى فهم أفضل للجسيمات المنبعثة من هذه الحرائق، بما في ذلك كيفية تطورها، حتى نتمكن من تحسين توقعاتنا لتأثيراتها على المناخ، وتغير المناخ، وصحة الإنسان”.
الصورة الكاملة
نشر Sedlacek وآخرون في Brookhaven والمؤسسات المتعاونة مؤخرًا دراسة في مجلة العلوم البيئية والتكنولوجيا تشير إلى أن نماذج المناخ العالمية لا تحصل على الصورة الكاملة.
تستند هذه النماذج إلى تقديرات لكيفية تأثير الحرائق على المناخ على الخصائص البصرية لجزيئات السخام المأخوذة من المنطقة المجاورة مباشرة للنار.
كما تظهر البيانات الجديدة، فشل هذا النهج في حساب التغييرات في جزيئات السخام بمرور الوقت.
يقول العلماء، إن هذه التغييرات يمكن أن تؤثر بشكل كبير على مقدار ضوء الشمس الذي تبدده الجسيمات أو تمتصه، وكيفية تفاعلها مع الماء، ومدى احتمالية تشكيلها للسحب- وكلها مهمة لكيفية تأثيرها في النهاية على مناخ الأرض.
وقال Sedlacek “بناءً على هذه النتائج، يجب إعادة تقييم استخدام الملاحظات قريبة المصدر والتجارب المعملية باعتبارها المصادر الوحيدة لتحديد كيفية تمثيل هذه الجسيمات على المستوى الإقليمي والعالمي”.
أعمدة الدخان المتقاطعة
لجمع البيانات الجديدة حول كيفية تطور جزيئات السخام، قام العلماء بتركيب أدوات حساسة مصممة لتحليل جزيئات الهباء الجوي على الطائرات التي تديرها وزارة الطاقة ووكالة ناسا.
من خلال حملتين لعلوم الغلاف الجوي على متن الطائرات قادتهما هاتان الوكالتان حول العالم، قاموا بأكثر من 60 رحلة بحثية عبر أعمدة حرائق الغابات، ذهابًا وإيابًا على مسافات متزايدة من الحرائق.
من خلال تقاطع كل عمود بشكل متكرر، التقطوا جزيئات صغيرة قريبة نسبيًا من الحرائق، وكذلك الجسيمات التي تطورت لساعات.
قامت الرحلات الجوية الأخرى بأخذ عينات من الأعمدة البعيدة عن مصادرها، وتقدر أعمارها بأكثر من 10 أيام.
كان محجرهم الرئيسي هو الكربون الأسود، أو السخام، المادة الأولية الممتصة للضوء المنبعثة من الحرائق وعامل الاحتباس الحراري الجسيمي السائد.
قال عالم بروكهافن إيرني لويس، وهو مؤلف مشارك في الدراسة، إن ” الكربون الأسود هو أداة تتبع رائعة لدراسة أعمدة حرائق الغابات لأنه خامل، مما يعني أنه غير متفاعل كيميائيًا”، “إنه يمتص الضوء بسهولة (وهذا هو سبب كونه أسود)، وبالتالي يمكن اكتشافه بسهولة بواسطة أجهزتنا.”
وقال: “بالإضافة إلى ذلك، فإن الجاذبية هي مصادر إزالتها الوحيدة من الغلاف الجوي – والتي لها تأثير ضئيل على هذه الجسيمات بسبب صغر حجمها – وتمطر بعد أن تشكل قطرات السحب”.
لكي تتشكل قطرات السحب حول السخام، يجب أن يأخذ الكربون الأسود أولاً طبقة من مواد أخرى، وهذا هو المكان الذي تصبح فيه قصة الكربون الأسود البسيط أكثر تعقيدًا.
في غضون الساعة الأولى من التكوين، يبدأ جسيم الكربون الأسود في تراكم طبقة من المواد العضوية، يأتي هذا الطلاء في الغالب من المركبات العضوية المتطايرة التي تبخرت من النباتات المحترقة، والتي تغلف بعد ذلك “قلب” الكربون الأسود.
تفترض معظم النماذج المناخية أن جميع جزيئات السخام تبدو مثل هذه النوى الكربونية السوداء المغلفة بشكل موحد، لكن البيانات التي تم جمعها لهذه الدراسة تظهر أن سمك مادة الطلاء يظل ثابتًا نسبيًا لمدة يوم إلى يومين فقط، ثم يبدأ مستوى الطلاء في التناقص ببطء حتى يتبقى حوالي 30% منه بحلول اليوم العاشر تقريبًا من دورة حياة الجسيم.
قال Sedlacek “هذا الفقد البطيء لمواد الطلاء لم يتم التقاطه في النماذج المناخية الحالية”.
تُظهر البيانات أن الجسيمات تقضي جزءًا كبيرًا من وجودها بطبقات رقيقة – وأقرب إلى المرحلة النهائية المغلفة بنسبة 30% من التطور – أكثر من أي جزء آخر من دورة حياتها، والتي يمكن أن تستمر أسبوعين.
امتصاص وتشتيت الضوء
هذه التغييرات لها تأثيرات كبيرة على الخصائص البصرية للجسيمات، على سبيل المثال، مع انخفاض سمك الطلاء على جسيم الكربون الأسود، تقل كمية الضوء المنتشر بواسطة الجسيم بسرعة أكبر من كمية الضوء الممتص.
نظرًا لأن تشتت الضوء بواسطة الجسيمات عمومًا له تأثير تبريد صافي على مناخ الأرض وامتصاص الضوء له تأثير احترار صافٍ، فإن هذا التغيير في التوازن يغير تأثير هذه الجسيمات على المناخ.
بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للأعمدة على ارتفاعات منخفضة حيث تتشكل الغيوم، فإن الجزيئات التي لها طبقة سميكة أكثر تشكل قطرات سحابة بسهولة أكبر.
وهذا يعني أنه يمكن إزالة هذه الجسيمات من العمود وتسقط من الغلاف الجوي إذا تحولت السحابة إلى قطرة مطر، ولذلك فإن جزيئات الكربون الأسود المتبقية في العمود هي تلك التي تحتوي على طبقات رقيقة.
وأوضح لويس، أن “الطلاءات الرقيقة تجعل جسيمات العمود المتبقية أكثر امتصاصًا للضوء نسبيًا وأقل تشتتًا من مزيج الجسيمات التي كانت موجودة في العمود قبل تشكل الغيوم”، ومرة أخرى، قد يؤدي المزيد من الامتصاص إلى حبس مزيد من الحرارة ودفء مناخ الأرض.
أدوات التجارة
الأداة الرئيسية المستخدمة لوصف جزيئات الكربون الأسود، هي مقياس ضوئي لسخام الجسيمات الأحادية (SP2) يرسل هذا الجهاز تيارًا من الجسيمات واحدًا تلو الآخر عبر شعاع الليزر، ويلتقط ومضات من الضوء عندما تتبخر الجسيمات، يمكنه جمع معلومات حول آلاف الجسيمات في الثانية، بما في ذلك أحجامها وسماكة طبقاتها.
وإليك كيف يعمل:
إذا كان الجسيم لا يحتوي على الكربون الأسود، فإنه يقوم فقط بتشتيت الضوء من الليزر، ويمكن استخدام كمية الضوء المنتشر لتحديد حجم الجسيم.
الجسيمات التي تحتوي على الكربون الأسود ليست بهذه البساطة، تشتت بعض الضوء، لكنها تمتص الضوء أيضًا (تذكر أن هذا ما يجعل جزء الكربون الأسود من الجزيئات أسودًا)، عند القيام بذلك، فإنها تسخن بسرعة، مما يؤدي إلى سلسلة من الأحداث التي تحدث خلال بضعة أجزاء من المليون من الثانية.
أولاً، تتبخر الطلاءات، مما يجعل الجزيئات أصغر، مما يؤدي إلى تشتت الضوء بشكل أقل، بعد ذلك، مع اختفاء طبقاتها وعدم قدرتها على تبديد الحرارة، ترتفع درجة حرارة جزيئات الكربون الأسود حقًا – إلى ما يقرب من 7000 درجة فهرنهايت! هذا يجعلها تتبخر وتصدر وميضًا من الضوء.
ترتبط كمية الضوء التي يلتقطها SP2 ارتباطًا مباشرًا بكمية الكربون الأسود في الجسيم، وطرح هذه الكمية من حجم الجسيمات الذي يحدده تشتت الليزر الأولي يعطي العلماء سماكة الطلاء .
يمكن بعد ذلك استخدام هذه الثروة من البيانات حول جسيمات الكربون الأسود في العمود والجسيمات الأخرى لحساب كيفية تفاعل العمود ككل مع ضوء الشمس والتأثير على المناخ، ومن خلال إجراء قياسات للأعمدة في أعمار مختلفة، يمكن للعلماء الحصول على فهم أفضل لكيفية تغير هذه التفاعلات على مدى عمر الأعمدة.
الملاحظات التي تم الحصول عليها من هذه الحملات الميدانية مفيدة أيضًا من حيث أنها تلفت الانتباه إلى أسئلة بحثية جديدة – مثل كيفية تشكل الجسيمات الموجودة في عمود الدخان سحابة .
قال Sedlacek “إن فهم التفاعلات المعقدة والمعقدة بين الهباء الجوي والغيوم يتطلب نهجًا متعدد الجوانب حيث تُعلم القياسات الميدانية النماذج، وتجد النماذج التناقضات التي تتطلب تجارب معملية مستهدفة، وحيث تحفز نتائج الدراسات المختبرية حملات ميدانية جديدة”.
