W sercu tego zjawiska leżą tzw. jądra krystalizacji lodu (ang. ice-nucleating particles, INPs). Są to drobne aerozole – pył mineralny, drobnoustroje lub cząstki pochodzenia biologicznego – które po przedostaniu się do atmosfery pełnią rolę „matryc”. To właśnie na ich powierzchni para wodna zaczyna zamarzać, co inicjuje proces formowania się chmur. Bez tych drobin powstawanie kryształków lodu w atmosferze przy stosunkowo wysokich temperaturach byłoby niemal niemożliwe.
Przez lata naukowcy zastanawiali się, skąd dokładnie biorą się te cząsteczki w tak sterylnym i odizolowanym środowisku, jakim jest daleka Północ. Zespół kierowany przez Camille Mavis oraz dr Jessie Creamean zidentyfikował głównego winowajcę: są nim sadzawki roztopowe. To płytkie zbiorniki wody powstające latem na powierzchni lodu morskiego. Nie są one jedynie martwymi kałużami wody z roztopionego śniegu. To złożone ekosystemy zawierające mieszankę wody morskiej, osadów glebowych oraz materii biologicznej, takiej jak bakterie i mikroskopijne glony, które zimowały uwięzione w lodzie.
Sadzawki roztopowe vs. otwarty ocean
Badania przeprowadzone przez zespół z CSU wykazały zaskakującą zależność: stężenie cząsteczek inicjujących powstawanie lodu w sadzawkach roztopowych jest znacznie wyższe niż w otaczającej je wodzie morskiej. Oznacza to, że procesy biologiczne zachodzące w tych niewielkich zbiornikach są niezwykle efektywne w produkcji aerozoli. Specyficzne mikroorganizmy uwalniane z topniejącego lodu stają się głównym źródłem „zarodków” chmur w regionach, gdzie inne źródła, takie jak pył pustynny, praktycznie nie docierają.
Czytaj także: Arktyczna bomba metanowa wybucha od środka. Wieczna zmarzlina a prognozy klimatyczne
Dlaczego jest to tak istotne? Chmury w Arktyce pełnią podwójną, niezwykle skomplikowaną rolę. Z jednej strony odbijają promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos (efekt chłodzący), z drugiej zaś działają jak gigantyczny koc, zatrzymując ciepło uciekające z powierzchni Ziemi (efekt cieplarniany). Bilans tych dwóch procesów, znany jako bilans radiacyjny, decyduje o tym, jak szybko lód morski będzie topniał w kolejnych sezonach. Naukowcy przyznają, że obecne modele klimatyczne bardzo słabo radzą sobie z odtwarzaniem zachowania arktycznych chmur, co prowadzi do sporych nieścisłości w prognozach długoterminowych.
Misja MOSAiC: Nauka w ekstremalnych warunkach
Odkrycie to nie byłoby możliwe bez bezprecedensowej ekspedycji MOSAiC (Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Było to gigantyczne przedsięwzięcie badawcze o wartości 150 milionów dolarów, koordynowane przez niemiecki Instytut Alfreda Wegenera. W misji wzięli udział naukowcy z 20 krajów, a ich głównym laboratorium był lodołamacz unieruchomiony w arktycznym lodzie i dryfujący wraz z nim przez niemal cały rok.
To właśnie podczas tej ekspedycji dr Jessie Creamean zebrała próbki wody i lodu z centralnej Arktyki, docierając do miejsc, które przez większość roku są całkowicie niedostępne dla człowieka. Camille Mavis, główna autorka publikacji, podkreśla, że Arktyka jest idealnym „naturalnym laboratorium” do badania jąder krystalizacji, ponieważ system ten jest znacznie prostszy i zawiera mniej zmiennych niż niższe szerokości geograficzne. Jednocześnie to właśnie tam zmiany zachodzą najszybciej, co sprawia, że zrozumienie roli mikroskopijnych cząstek staje się wyścigiem z czasem.
Przyszłość klimatu zapisana w mikroskali
Wnioski płynące z badań są jasne: wraz z ociepleniem klimatu liczba i zasięg sadzawek roztopowych w Arktyce będą rosły. Większa powierzchnia tych zbiorników oznacza więcej cząsteczek INP w atmosferze, co z kolei może prowadzić do zmiany struktury i właściwości arktycznych chmur. Jak zauważa prof. Sonia Kreidenweis, współautorka badań, cząsteczki te potrafią wywoływać zamarzanie wody w stosunkowo wysokich temperaturach, co odróżnia je od typowych aerozoli mineralnych.
Czytaj także: Mikroplastik w sercu Arktyki. Lód skrywa ślad po naszej cywilizacji
„Nasze modele klimatyczne muszą zostać zaktualizowane o te dane” – twierdzą naukowcy. Zrozumienie, jak biologia lodu morskiego wpływa na fizykę atmosfery, jest brakującym elementem układanki, który pozwoli nam precyzyjniej przewidzieć, kiedy Arktyka może stać się całkowicie wolna od lodu w okresie letnim. To, co dzieje się w mikroskopijnej skali w kropli wody na szczycie lodowca, ma swój bezpośredni finał w globalnych zmianach poziomu mórz i ekstremalnych zjawiskach pogodowych, których doświadczamy na co dzień.
