کارخانه ابری تازه کشف‌شده در قطب شمال که در مدل‌های اقلیمی غایب است، می‌تواند پیش‌بینی‌های گرمایش را تغییر دهد

در مرز متغیر جایی که اقیانوس باز با یخ‌های دریایی منجمد قطب شمال در نزدیکی گرینلند تلاقی می‌کند، حسگرهای جوی نصب شده بر روی کشتی تحقیقاتی سلطنتی دیسکاوری (RRS Discovery) اخیراً یک ناهنجاری شگفت‌انگیز را ثبت کردند. در طول یک سفر تحقیقاتی در سال ۲۰۲۲ از طریق تنگه دیویس، محققان مشاهده کردند که تعداد ذرات معلق در هوا به طور ناگهانی از سطح پایه تقریباً ۵۰ به ۱,۵۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب در یک بعدازظهر افزایش یافت. این افزایش پنجاه برابری ذرات یک رویداد منفرد نبود، بلکه یک اتفاق مکرر بود که در بیش از ۸۰ درصد از روزهای آفتابی و صاف تحت نظارت تیم بین‌المللی رخ داد. حجم خالص مواد جدیدی که در هوا ظاهر می‌شد، به یک موتور شیمیایی عظیم و ثبت‌نشده اشاره داشت که در خط آب فعال است.[1][2]

منبع این افزایش، یک «کارخانه ابر» طبیعی تازه شناسایی شده است که منحصراً در منطقه حاشیه یخ (Marginal Ice Zone) فعالیت می‌کند؛ نوار باریک و پویایی که در آن یخ‌های دریایی در حال عقب‌نشینی شکسته شده و به اقیانوس باز می‌پیوندند. در این منطقه، آب بسیار پربار است و مملو از جلبک‌های دریایی و فیتوپلانکتون‌هایی است که با ذوب شدن یخ و قرار گرفتن در معرض نور خورشید رشد می‌کنند. این جوامع بیولوژیکی، همراه با شکست فیزیکی یخ، ترکیبی قوی از مواد شیمیایی خام را در جو پایین آزاد می‌کنند و زمینه را برای یک توالی پیچیده از واکنش‌ها فراهم می‌سازند.[1][2]

مواد اولیه اصلی در این راکتور شیمیایی فضای باز شامل ترکیبات ید آزاد شده از اقیانوس و یخ دریا، دی‌متیل سولفید ساطع شده توسط گیاهان دریایی و بخارات آلی مختلف است. هنگامی که این گازهای نامرئی از آب بالا می‌آیند و با نور خورشید قطب شمال برخورد می‌کنند، تحت دگرگونی فتوشیمیایی سریع قرار می‌گیرند. نور خورشید به عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند، مولکول‌های پیش‌ساز را تجزیه کرده و به آنها اجازه می‌دهد تا دوباره در پیکربندی‌های جدید و بسیار واکنش‌پذیر ترکیب شوند که شروع به خوشه‌بندی در هوا می‌کنند.[2]

تشکیل یک خوشه مولکولی تنها اولین مانع در شیمی جوی است؛ حفظ آن دست‌نخورده، چالشی کاملاً متفاوت است. اکثر خوشه‌های مولکولی تازه متولد شده به طرز باورنکردنی شکننده هستند و قبل از اینکه بتوانند به اندازه عملکردی برسند، تمایل به تبخیر و تبدیل شدن مجدد به گاز دارند. برای بقا، این خوشه‌های میکروسکوپی به یک تثبیت‌کننده شیمیایی نیاز دارند تا به سرعت روی آنها متراکم شده و حجم آنها را افزایش دهد. بدون این مرحله رشد سریع، ذرات هرگز به اندازه‌ای بزرگ نمی‌شوند که بر آب و هوا تأثیر بگذارند یا با بخار آب تعامل داشته باشند.[3]

تیم تحقیقاتی با تجزیه و تحلیل مخلوط معلق در هوا، قطعه گمشده این پازل را کشف کردند: یک دسته کاملاً ناشناخته از ترکیبات شیمیایی به نام مولکول‌های آلی اکسیژن‌دار حاوی ید، یا I-OOMs. این مولکول‌های تخصصی به عنوان تقویت‌کننده‌های رشد شیمیایی عمل می‌کنند. آنها به سرعت بر روی خوشه‌های شکننده جدید گوگرد و ید متراکم می‌شوند و مانند یک داربست مولکولی عمل می‌کنند که از تبخیر جلوگیری کرده و رشد آنها را به ذرات جوی پایدار و طولانی‌مدت تسریع می‌بخشد.[1][3]

هنگامی که این ذرات به یک آستانه اندازه بحرانی می‌رسند، نقش جدید و حیاتی را بر عهده می‌گیرند: آنها به هسته‌های تراکم ابر تبدیل می‌شوند. قطرات ابر نمی‌توانند از هوای خالی تشکیل شوند؛ بخار آب برای متراکم شدن به یک سطح فیزیکی نیاز دارد. منطقه حاشیه یخ با پمپاژ مقادیر عظیمی از این ذرات تثبیت‌شده به آسمان، به طور مؤثری جو را هسته‌زایی می‌کند و پایه‌های میکروسکوپی لازم برای تشکیل ابرهای ضخیم قطب شمال را فراهم می‌آورد.[1][2]

این توالی بیولوژیکی و شیمیایی – از جلبک‌های اقیانوسی تا بخارات ید، تا I-OOMs و در نهایت هسته‌های تراکم ابر – اولین تأیید واقعی یک مسیر جوی پیچیده را نشان می‌دهد که قبلاً فقط در اتاق‌های آزمایشگاهی کنترل‌شده، مانند آزمایش CLOUD در سرن (CERN)، مشاهده شده بود. مشاهده وقوع آن در مقیاس عظیم در محیط طبیعی تأیید می‌کند که اقیانوس قطب شمال تنها یک قربانی منفعل گرمایش نیست، بلکه یک مشارکت‌کننده فعال در شکل‌دهی جو بالای خود است.[2]

این کشف که در مجله نیچر ژئوساینس (Nature Geoscience) منتشر شده است، یک نقطه کور قابل توجه در درک فعلی ما از دینامیک اقلیم جهانی را آشکار می‌کند. با وجود مقیاس عظیم این تولید ذرات، سازوکار شیمیایی مبتنی بر ید به طور کامل در مدل‌های اقلیمی جهانی کنونی غایب است. پیش‌بینی‌های موجود، گرمایش قطبی و ذوب شدن یخ را بدون در نظر گرفتن این مسیر خاص اقیانوس-یخ-ابر ارزیابی می‌کنند، به این معنی که یک متغیر اصلی از معادلات مورد استفاده برای پیش‌بینی آینده منطقه حذف شده است.[1][2]

از آنجایی که قطب شمال تقریباً چهار برابر سریع‌تر از میانگین جهانی در حال گرم شدن است، منطقه حاشیه یخ با عقب‌نشینی یخ‌های فشرده در حال گسترش است. این بدان معناست که منطقه جغرافیایی قادر به میزبانی این کارخانه ابر هر ساله در حال افزایش است. با قرار گرفتن آب باز و جلبک‌های بیشتری در معرض نور خورشید، تولید I-OOMs و ذرات هسته‌زای ابر احتمالاً افزایش می‌یابد و به طور بالقوه پوشش ابر را بر روی بخش‌های وسیعی از منطقه قطبی شمالی تغییر می‌دهد.[2][3]

آنچه به شدت مورد بحث است – و در حال حاضر ناشناخته باقی مانده – تأثیر خالص این ابرهای جدید بر دمای قطب شمال است. ابرها نقش دوگانه و اغلب متناقضی در تعادل تابشی زمین ایفا می‌کنند. از یک سو، پوشش ابری ضخیم‌تر تابستانی مانند یک سپر سفید درخشان عمل می‌کند، تابش خورشیدی ورودی را به فضا منعکس کرده و سطح اقیانوس زیرین را خنک می‌کند. این می‌تواند به طور نظری سرعت ذوب شدن یخ را در گرم‌ترین ماه‌ها کاهش دهد.[2][3]

از سوی دیگر، ابرها همچنین مانند یک پتوی عایق عمل می‌کنند، تابش حرارتی موج بلند ساطع شده توسط زمین را به دام می‌اندازند و از فرار آن به فضا جلوگیری می‌کنند. در زمستان تاریک قطب شمال، یا بر روی برف و یخ بسیار بازتابنده، این اثر به دام انداختن می‌تواند غالب باشد و گرمایش موضعی و از دست دادن یخ را تسریع کند. برای درک اینکه آیا بازتاب خنک‌کننده یا عایق گرم‌کننده پیروز خواهد شد، لازم است شیمی ید تازه کشف شده به ابررایانه‌ها وارد شود و شبیه‌سازی‌های به‌روز شده اجرا گردند.[3]

مدل‌سازان اقلیمی و شیمیدانان جوی اکنون به فوریت در تلاشند تا این مشاهدات میدانی را به چارچوب‌های ریاضی تبدیل کنند که بتوانند در مدل‌های اقلیمی جهانی ادغام شوند. دانشمندان امیدوارند با تعیین دقیق میزان ید و گوگرد آزاد شده در هر کیلومتر مربع از یخ در حال ذوب، و اینکه I-OOMs با چه کارایی این انتشارات را به ابر تبدیل می‌کنند، این نقطه کور را برطرف کرده و پیش‌بینی‌های بسیار دقیق‌تری از الگوهای آب و هوایی قطب شمال ارائه دهند.[2][3]

این یافته‌ها همچنین سؤالات قانع‌کننده‌ای را در مورد اینکه آیا سازوکارهای مشابهی در سایر محیط‌های دریایی بکر، مانند اقیانوس جنوبی اطراف قطب جنوب، عمل می‌کنند، مطرح می‌کند. اگر تشکیل ابر مبتنی بر ید یک ویژگی جهانی یخ دریایی در حال ذوب باشد، می‌تواند یک حلقه بازخورد سیاره‌ای بنیادی را نشان دهد که هزاران سال است اقلیم زمین را تنظیم کرده، و اکنون با عقب‌نشینی سریع یخ در حال کشف شدن است.[4]

در نهایت، کشف انجام شده در کشتی RRS Discovery بر ارتباط عمیق سیستم زمین تأکید می‌کند. فعالیت بیولوژیکی میکروسکوپی جلبک‌های دریایی، که توسط شکست فیزیکی یخ دریا آغاز می‌شود، یک واکنش شیمیایی را به پیش می‌برد که خود آسمان را تغییر می‌دهد. همانطور که محققان به رمزگشایی اسرار کارخانه ابر قطب شمال ادامه می‌دهند، روشن می‌شود که ذوب شدن یخ دریا به آرامی در حال هسته‌زایی ابرها در بالای سر است و آینده اقلیم قطبی را از پایین به بالا شکل می‌دهد.[4]