Вплив пінгвінячих відходів на клімат Антарктики

Анотація

Останні дослідження виявили, що аерозолі аміаку, які вивільняються з пінгвінячого гною, є важливими попередниками для нуклеації та зростання морських хмар у прикордонному шарі атмосфери над Антарктикою. Ці низькоякісні хмари відбивають сонячне випромінювання, забезпечуючи природний охолоджуючий ефект, що сприяє стабілізації полярного клімату. У даній статті ми детальніше розглянемо хімічні механізми, методи вимірювання та наслідки для моделювання клімату, враховуючи останні досягнення до початку 2025 року.

1. Вступ

Колонії пінгвінів в Антарктиці виробляють величезні обсяги гною, який вивільняє аміак (NH₃) в атмосферу. Хоча запах гною добре відомий польовим дослідникам, хімічний вплив цього явища було кількісно оцінено лише нещодавно. Дослідження, опубліковане в журналі Geophysical Research Letters у березні 2025 року, зафіксувало сплески аміаку до 13,5 частин на мільярд об’єму (ppbv) на вітрі від колонії з 60 000 пар пінгвінів Аделі на острові Марамбіо. Це в понад тисячу разів перевищує регіональний фоновий рівень, який становить приблизно 0,01 ppbv.

2. Хімічні шляхи та нуклеація хмар

Зв’язок між біологічними викидами та мікрофізикою хмар включає кілька етапів:

1. Викид: Гній піддається термічному розкладу, вивільняючи NH₃. Швидкість викиду залежить від температури і коливається від 10⁻⁶ до 10⁻⁴ г м⁻² добу⁻¹ при температурах від –10 °C до 2 °C.
2. Окислення: У морському прикордонному шарі NH₃ нейтралізує сірчану кислоту (H₂SO₄), що утворюється в результаті окислення диметилсульфіду (DMS), біогенного газу, що виробляється океанськими фітопланктоном.
3. Нуклеація та зростання: Утворені частинки сульфату амонію активуються при відносній вологості понад 80%, забезпечуючи ядра конденсації хмар (CCN) з діаметрами в діапазоні 50–100 нм.
4. Формування хмар: Підвищена концентрація CCN збільшує густину крапель, підвищуючи альбедо хмар на 15% у регіональних моделях.

3. Інструменти та методи вимірювання

Польові кампанії, проведені з січня по березень 2023 року, використовували сучасні аналізатори аерозолів і газів:

• CIMS (Хімічний іонізаційний мас-спектрометр): Використовував іонізацію ацетату для виявлення NH₃ з межами виявлення 0,2 частини на трильйон об’єму (pptv).
• SMPS (Скануючий мобільний аналізатор частинок): Вимірював розподіли розмірів наночастинок від 1 до 200 нм, розрізняючи новостворені кластери діаметром 1–3 нм.
• Лічильник CCN: Кількісно визначав діаметри активації за умов наднасичення 0,2–1,0%.
• Метеорологічна станція та LIDAR: Надали вертикальні профілі температури, вологості та зворотного розсіювання аерозолів для зв’язку викидів з шарами хмар.

“Вимірювання аміаку в Антарктиці є складним завданням через надзвичайно низький фоновий рівень та необхідність високовакуумної іонної хімії,” зазначив доктор Метью Бойєр (Університет Гельсінкі). “Наш налаштований CIMS досяг чутливості під ppt, виявивши швидкості викиду, яких ми ніколи не очікували від диких тварин.”

4. Взаємозв’язки екосистеми та клімату

Пінгвіни не є єдиним біогенним джерелом, що впливає на радіаційний баланс Південного океану:

• Морський фітопланктон: Викиди DMS до 5 µg m⁻² day⁻¹ постачають сіркові сполуки, які окислюються до H₂SO₄.
• Фертилізація морськими птахами: Азот і фосфор з гною сприяють цвітінню водоростей, підтримуючи виробництво DMS.
• Вертикальна міграція риб: Скупчення транспортують вуглець і поживні речовини між поверхневими та глибокими шарами, впливаючи на розчинність CO₂.

5. Вплив на глобальне радіаційне примушення

Включення джерел аерозолів, що походять з гною, у модель спільної Земної системи (CESM2), змінює регіональне радіаційне примушення на –0,2 до –0,4 W m⁻² у Південному океані. Це коригування зменшує зміщення моделі в частці хмар приблизно на 10%, покращуючи відповідність з даними супутників NASA CERES та ESA CloudSat.

6. Напрями подальших досліджень

Хоча охолоджуючий ефект хмар, посилених NH₃, є очевидним, залишаються питання:

• Просторове покриття: Чи можуть менші колонії в сумі зрівнятися з викидами найбільших колоній? Ведуться роботи з картографування за допомогою дронів з мультиспектральним зображенням.
• Сезонна стійкість: Як довго ґрунти, насичені гноєм, продовжують викидати NH₃ після відходу пінгвінів? Ізотопне трасування з використанням сполук, мічених ¹⁵N, може кількісно оцінити цей процес.
• Взаємодії хмар та льоду: На льодових поверхнях додатковий шар хмар може зменшити альбедо, викликаючи локальне потепління. Плануються дослідження радіаційного переносу з використанням наземних спектрореліометрів та безпілотних літальних апаратів (БПЛА).

7. Потенційні інсайти з геоінженерії

Розуміння природних джерел аерозолів дає уроки для управління сонячним випромінюванням:

• Випробування ін’єкції аміаку можуть, в принципі, посилити утворення CCN у регіонах з низьким фоновим рівнем аерозолів.
• Ризики включають впливи на окислення та зміни в режимах опадів.
• Будь-яка схема геоінженерії вимагатиме ретельного мезомасштабного моделювання та польової валідації, щоб уникнути непередбачених наслідків.

Експертні думки

Доктор Гелен Рід, фахівець з взаємодії аерозолів та хмар в NCAR, зазначає: “Ця робота елегантно демонструє, як навіть помірні біологічні викиди можуть мати значний вплив у незайманих середовищах. Це ставить перед нами завдання вдосконалити параметризацію аерозолів у глобальних кліматичних моделях.”

8. Висновок

Гній пінгвінів є природним, але потужним джерелом аерозолів аміаку, які каталізують формування хмар і сприяють регуляції клімату в Антарктиці. Включення цих викидів у кліматичні моделі зменшує ключові зміщення та підкреслює складну взаємодію між екосистемами та Земною системою. Продовження міждисциплінарних досліджень — поєднання польових вимірювань, дистанційного зондування та передового моделювання — буде необхідним для повної кількісної оцінки цих ефектів та їх наслідків у сценаріях майбутнього потепління.