Slané aerosoly z polárních ledů ničí ozon. Jejich vznik objasnili brněnští vědci

Jsou tak miniaturní, že jsou lidským okem neviditelné a zároveň tak lehké, že se mohou volně vznášet ve vzduchu. Jejich vliv na počasí, klima a atmosféru je však velmi významný a na svědomí mají mimo jiné i ničení ozonu či přeměnu rtuti v životním prostředí na jedovatější formu. Řeč je o slaných mořských aerosolech vznikajících ze slaného ledu v polárních oblastech.

Přesný mechanismus jejich vzniku byl dlouho nejasný. Vzniknou sublimací slaného ledu neškodné, větší kousky soli nebo naopak potenciálně nebezpečné malé částice, které se vznesou do atmosféry ve formě aerosolu? Jak přesně budou tyto částice soli vypadat a jaké budou mít vlastnosti? Odpověď nejen na tyto otázky přinesl výzkum brněnských vědců ze skupiny Environmentální elektronové mikroskopie Ústavu přístrojové techniky AV ČR (ÚPT) vedený doc. Ing. et Ing. Vilémem Nedělou, Ph.D, ve spolupráci se skupinou doc. Dominika Hegera z Masarykovy univerzity a Dr. Xin Yangem z British Antarctic Survey (Cambridge, UK).

Těm se nyní pomocí unikátního environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu, jediného svého druhu na světě, který byl navržen a upraven v brněnském ÚPT, podařilo experimentálně stanovit přesné fyzikálně-chemické podmínky, na nichž závisí velikost a struktura částic soli, vzniklých po sublimaci slaného ledu. Zjištěná data umožní lépe pochopit, jakým způsobem se mořská sůl z arktických oblastí dostává do atmosféry a mohou pomoci zpřesnit matematické modely předpovídání počasí, změn klimatu či vzniku ozonových děr. Výsledky výzkumu nedávno publikoval i prestižní vědecký časopis Geophysical Research Letters.

Obr.Vilém Neděla, vedoucí skupiny environmentální elektronové mikroskopie ÚPT AV ČR

Sůl v atmosféře? Z bublinek pěny i ze slaného ledu

Termínem aerosoly mořské soli či slanými aerosoly označujeme směs vzduchu a dostatečně malých částic mořské soli, které se v něm dokáží vznášet. „Nad otevřeným oceánem slané aerosoly vznikají přímo z mořské vody v důsledku lámání vln a praskání bublin mořské pěny. Jejich dalším podstatným zdrojem jsou pak slané ledy – tedy ledy vzniklé ze slané mořské vody či sněhu. Tyto slané ledy přitom pokrývají významnou část arktických oblastí,“ vysvětluje docent Dominik Heger.

Slané aerosoly jsou z mnoha důvodů důležité pro atmosférické děje – částečky soli slouží jako kondenzační jádra pro mraky a jejich počet tak má přímý vliv na množství srážek. Další vlastností slaných aerosolů je to, že částice soli mají velký specifický povrch, a tím pádem jsou ideálním médiem pro řadu chemických reakcí.

„Kvůli slaným aerosolům dochází například k bromové expozici, tedy řetězové chemické reakci, která je spojená s uvolňováním bromu do atmosféry. To následně způsobuje ničení ozonu v troposféře nad Antarktidou a Arktidou,“ doplňuje odbornice na elektronovou mikroskopii zmrzlých roztoků dr. Ľubica Vetráková ze skupiny doc. Neděly. A jak dodává, slané aerosoly mají i vliv na přeměnu rtuti v životním prostředí na lépe vstřebatelnou formu, čímž hrozí kontaminace polárních oblastí tímto těžkým, toxickým kovem.

Chemické reakce spojené se slanými aerosoly tedy významně ovlivňují regionální i globální atmosferické děje, mají vliv na skleníkový efekt či na globální oteplování. Mechanismus jejich vzniku ze slaných arktických ledů však nebyl až do nynějška detailně prozkoumán.

Jediný mikroskop na světě, který umí napodobit podmínky v Antarktidě

„Již déle bylo známo, že zóny slaných arktických ledů jsou velkým zdrojem slaných aerosolů. Doposud však nikdo na mikroskopické úrovni nebyl schopen prozkoumat proces sublimace slaného ledu a vzniku částic soli, v závislosti na teplotách a salinitě – tedy doslova slanosti – zdrojového ledu,“ říká Vilém Neděla.

Důvod je jednoduchý – pod standardními rastrovacími elektronovými mikroskopy takové pozorování není technicky možné. Běžné elektronové mikroskopy musí pracovat za extrémně nízkých tlaků blízkých vakuu, a v takových podmínkách se každý led okamžitě přemění na páru – tedy sublimuje, aniž by bylo možné sublimaci zkoumat, řídit a ovlivňovat. Pro studium vzorků při vyšších tlacích jsou komerčně dostupné i environmentální elektronové mikroskopy, ty ale běžně nedokáží vzorky chladit na teploty nižší než -20 °C a při těchto teplotách kontrolovat termodynamické podmínky v komoře vzorku s požadovanou přesností, což je nezbytné pro výzkum tvorby slaných aerosolů.

Vědecký tým docenta Neděly z ÚPT proto přestavěl a pro studium ledu upravil klasický elektronový mikroskop tak, že vzniknul světově unikátní a svého druhu jediný environmentální rastrovací elektronový mikroskop (EREM) pojmenovaný AQUASEM II. Tlak plynů v komoře se zkoumaným vzorkem může být až milionkrát vyšší oproti běžnému elektronovému mikroskopu a vědeckou skupinou doc. Neděly nově vyvinutý držák vzorku dokáže vzorky chladit na teploty až -50 °C. Přístroj tak umožňuje pozorovat a analyzovat vzorky slaných ledů v podmínkách blízkých přirozenému prostředí či řídit proces jejich sublimace.

„Jednoduše řečeno, v našem brněnském mikroskopu dokážeme napodobit podmínky, které panují na Antarktidě. A jako jediní na světě jsme díky tomu mohli v rozlišení mikrometrů pozorovat, jak sublimují slané ledy a jak vypadají z nich vzniklé částice soli za různých fyzikálně-chemických podmínek,“ vysvětluje docent Neděla.

Paradox: Nejvíce malých částic soli vzniká z nejméně slaného ledu

Vědci připravili roztoky mořské soli o salinitách 0,085 až 78 psu (psu=practical salinity unit/praktická jednotka salinity; 1 psu reprezentuje 1 gram soli rozpuštěné v 1 kilogramu vody; průměrná salinita mořské vody je 35 psu). Vzorky těchto roztoků následně zmrazili a led nechali sublimovat při teplotách -16, -30 nebo -40 °C. Po sublimaci ledu zkoumali vzniklé částice soli. Ty vykazovaly opravdu rozdílné charakteristiky.

Hlavním poznatkem získaným na základě mikroskopických pozorování je silná závislost množství a velikosti krystalů soli jak na teplotě sublimace ledu, tak na koncentraci původního roztoku.

„Při všech zkoumaných koncentracích s výjimkou nejnižší (0,085 psu) vznikaly při sublimaci nad -20 °C velké kusy soli, jejichž velikost často přesahovala 100 mikrometrů. Z takto velkých a těžkých částic se slané aerosoly stát nemohou, jsou příliš těžké a rychle dopadnou zpátky na Zem. Naše zjištění stanovuje teplotní hranici -20 °C, nad níž se slané aerosoly v rané fázi tvorby mořského ledu pravděpodobně nevytvoří, pokud koncentrovaná solanka nebyla zředěna na velmi nízké hodnoty pod 0,085 psu,“ vysvětluje docent Heger. Naopak při nízkých teplotách (pod -30 °C) v procesu sublimace tak vznikají částice mikrometrových rozměrů, za předpokladu koncentrace slaného ledu pod 3,5 psu.

Teplota sublimace ledu je tedy dominantním fyzikálním faktorem, který určuje velikost částic soli. Při teplotě nižší než -20 °C vznikají kousky soli o velikosti mikronů, zatímco při teplotě vyšší velké kusy soli. Dalším aspektem ovlivňujícím velikost částic soli je koncentrace – mikronové částice vznikají výhradně při salinitě pod 3,5 psu a teplotě nižší než -30 °C, zatímco pod 0,085 psu vznikají z mořského ledu při jakékoli teplotě pod bodem mrazu částice s mediánem menším než 6 μm.

Mikroskopická analýza vědcům dále umožnila odhadnout počet částic soli vzniklých z jednotky objemu zmraženého roztoku za konkrétních podmínek. Například odhadovaná hustota počtu částic soli vzniklých z jednoho krychlového milimetru slaného ledu se pohybuje od zhruba 300 částic při 3,5 psu při -30 °C po 3 100 částic při 0,085 psu při -16 °C.

„To znamená, že z pouhého jediného litru velmi málo slaného ledu (vzniklého z vody obsahující 0,085g soli/litr), může za ideálních podmínek vzniknout neuvěřitelných 3,1 miliardy mikrometrových částic soli, které se následně dostanou ve formě aerosolu do atmosféry!“ upozorňuje docent Neděla.

Lepší předpověď počasí i modelování změn klimatu

„Přestože skutečné sublimační procesy v přírodě jsou mnohem složitější než podmínky v komoře elektronového mikroskopu, naše laboratorní data jasně dokazují, že slané aerosoly mohou pocházet ze sublimujícího slaného mořského ledu, respektive slaného sněhu. Zjistili jsme, že jak teplota, tak koncentrace soli jsou důležité z hlediska určení velikosti a hustoty počtu solných částic vznikajících během sublimačního procesu. Tyto dva parametry jsou tedy důležité pro chemii polárních mezních vrstev a klimatu,“ shrnuje výzkum docent Dominik Heger.

Porozumění mechanismu, jakým se mořská sůl efektivně dostane z mořské vody do atmosféry, má velký význam pro matematické modelování a předpovědi atmosférických dějů. „Naše výsledky mohou pomoci zpřesnit matematické modely, které simulují procesy v atmosféře, a tím pomoci v porozumění, předpovídání a boji proti nežádoucím změnám klimatu na naší planetě,“ uzavírá docent Vilém Neděla.

SHRNUTÍ

• Slaný aerosol – směs vzduchu a částic soli, které jsou dostatečně malé a lehké, že se ve vzduchu vznáší.

• Slané aerosoly ovlivňují atmosféru, klima, množství srážek, ničí ozon či přeměňují rtuť na jedovatější formu.

• Významná část slaných aerosolů vzniká sublimací slaných arktických ledů (ze zmrzlé mořské tříště/ze slaného sněhu): led sublimuje, zůstanou pevné částice soli.

• O tom, jak velké částice soli vzniknou a zda (ne)jsou schopné následně vytvořit slané aerosoly, rozhodují fyzikálně-chemické podmínky (teplota, salinita – „slanost ledu“,...)

• Vědci z ÚPT jako jediní na světě pomocí unikátního mikroskopu umí podmínky panující v arktických oblastech modelovat a zkoumat při mikrometrovém rozlišení.

• Pro výzkum vědci zkonstruovali i jedinečný chladicí držák vzorků.

• Vědci prokázali silnou závislost množství a velikosti krystalů soli jak na teplotě sublimace ledu, tak na salinitě roztoku, ze kterého vznikl původní slaný led.

• Nejvíce miniaturních částic soli vzniká z nejméně slaného ledu při nejnižších teplotách

Z pouhého litru slaného ledu může vzniknout při optimálních podmínkách i 3,1 miliardy částic soli, které se mohou vznést do vzduchu a vytvořit slaný aerosol.

• Výsledky výzkumu umožní například lépe předpovídat počasí či klimatické změny.