زیست بوم: یک خبر بد: اطلاعات ما از ابرها، بسیار کمتر از آن چیزی است که تصورش می‌رفت. … و  یک خبر خوب: احتمالاً راه درست پاسخگویی به این نادانسته‌ها را پیدا کرده‌ایم. اخیراً پژوهش جدیدی به کمک یک محفظه ابر مصنوعی مجهز به شبیه‌ساز پرتوهای کیهانی انجام گرفته است که نشان می‌دهد عامل مرموزی (که دست کم یک عامل هم بیشتر نیست) ایجاد ابرها را در ارتفاعات پایینی جو زمین کنترل می‌کند و این، تاکنون از تیررس دید دانشمندان پنهان مانده بود. خوشبختانه این آزمایش، ردپاهایی را هم از این عنصر مرموز رو کرده که احتمالاً به دانشمندان در حل این معما کمک خواهد کرد. 

این پژوهش از اهمیتی فراوان برخوردار است، چراکه ابرها و مواد اولیه‌شان که «هواویز»ها (یا ایروسول‌ها) باشند، مهم‌ترین آبشخور عدم قطعیت پیش‌بینی‌ دانشمندان از نحوه دگرگونی‌های‌ اقلیم زمین به شمار می‌روند. هرچند که این دانشمندان از نقش گازهای گلخانه‌ای در افزایش دمای میانگین زمین آگاه هستند و می‌دانند که هواویزها و ابرها با انعکاس نور آفتاب از پشت‌شان، تا حد زیادی قادر به جبران این فاجعه‌ هستند؛ اما هواویزها ذراتی چنان فراری و مرموزند که دخالت دادن‌شان در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، کار سختی است. با این وجود آن‌ها تازه فهمیده‌اند که آموخته‌های‌شان در خصوص نحوه تشکیل ابرها تا چه حد از ریشه مشکل دارد. این را «یاسپر کرکبی» (Jasper Kerkby)، از فیزیکدانان سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN) و همچنین از پژوهشگران این بررسی می‌گوید و می‌افزاید: «اطلاعات‌مان از هواویزها، بسیار کمتر از آن چیزی‌ست که تاکنون تصورش را می‌کرده‌ایم. پس اگر در گذشته مشکلاتی داشته‌ایم، این مشکلات عمیق‌تر هم خواهد شد.»

قصه این آزمایش از چه قرار است؟

کرکبی، سرپرست آزمایشی موسوم به CLOUD در سازمان CERN است؛ آزمایشی که به‌منظور ارزیابی نقش پرتوهای کیهانی در ایجاد ابرهای زمین طراحی و اجرا شده است (پرتوهای کیهانی، ذرات زیراتمی فوق‌العاده پرسرعتی‌اند که از منابع ناشناخته کیهانی نشئت می‌گیرند و پس از برخورد به لایه‌های فوقانی جو زمین، آبشاری از ذرات ثانویه را رها می‌کنند). او و همکارانش، در محفظه فولادین غول‌آسایی دست به بازسازی ذرات ریزی موسوم به هواویزها زدند که هسته تشکیل‌دهنده اجزای یک ابر محسوب می‌شوند. وقتی‌که هواویزها به حد کافی بزرگ می‌شوند، بخار آب بر سطح‌شان می‌نشیند و با گرد آمدن مقادیر فراوانی از آن‌ها هم ابرها متولد می‌شوند.

این پژوهشگران از هوای معمولی در این محفظه استفاده نکردند، چراکه به‌گفته کرکبی نمی‌توان نمونه‌ای از هوای طبیعی را تا مقادیر مد نظر دانشمندان تصفیه کرد. در عوض آن‌ها با کمک نیتروژن و اکسیژن مایع، هوای بیرون را که فاقد هرگونه هواویزی بود، شبیه‌سازی نمودند. بخار آبی هم که در این محفظه بایستی تزریق می‌شد، با پالایشگر خاصی خالص‌سازی شده بود، اما به‌گفته کرکبی، این میزان از تصفیه هم حتی کفایت نمی‌کرد. از این‌رو باز آن‌ها بخار آب خودشان را به طریق مصنوعی به دست آوردند.

دمای درون این محفظه را می‌توان تا یک‌صدم درجه سلسیوس تحت کنترل درآورد و همین ویژگی به کرکبی و همکارانش امکان بازسازی هر بخشی از جو زمین را می‌داد. آن‌ها، پرتویی از ذرات تولیدی در جریان آزمایش‌های شتاب‌دهنده پروتون- سینکروترونی سازمان CERN را به نیابت از پرتوهای کیهانی و یک چراغ فیبری فرابنفش را هم در عوض خورشید به کار گرفتند. کرکبی می‌گوید: «چیزی شبیه به آشپزی است. قابلمه (یا همان محفظه ابر) را از مواد اولیه مطلوب‌مان پر می‌کنیم و دما را هم به همان اندازه که خواستیم تنظیم می‌کنیم و منتظر می‌مانیم».

کرکبی و تیم پژوهشی‌اش از طریق این آزمایش، هسته‌زایی هواویزها را شبیه‌سازی کردند؛ فرآیندی که در جریان آن مولکول‌های جو زمین در گرداگرد هواویزها تجمع پیدا می‌کنند. آن‌ها سریعاً متوجه شدند که دو مولکول اصلی مد نظرشان، یعنی اسید سولفوریک و آمونیاک، نمی‌توانند عامل هسته‌زایی‌ طبیعی ابرهای پراکنده در جو تحتانی زمین باشند؛ ابرهایی که حداکثر یک کیلومتر از سطح زمین فاصله دارند.

سطح هسته‌زایی مشاهده‌شده در محفظه ابر، «تقریباً یک‌دهم تا یک‌هزارم آن چیزی بود که در جو تحتانی زمین مشاهده می‌شود. شکی نیست که چیزی در این میان گم شده است». با این‌حال محاسبات دقیق حکایت از این می‌کنند که مقادیر ناچیز بخارهای ارگانیک ناشی از فعل و انفعالات زیستی بدن جانداران، به فرآیند هسته‌زایی ابرها کمک می‌کنند. این، نقطه آغازی برای پژوهش‌گران شده است تا ردپای این عنصر گمشده را پیدا کنند. این پژوهشگران همچنین متوجه شده‌اند که پرتوهای کیهانی مصنوعی‌شان، مسئول حدود ۱۰ درصد از این فرآیند هستند و لذا پرتوهای کیهانی طبیعی نیز در عمل در تشکیل ابرهای زمین ایفای نقش می‌کنند. البته به‌گفته کرکبی، این به‌معنای تأثیر این پرتوها بر الگوهای اقلیمی سیاره‌مان نیست، بلکه چنین احتمالی را پیش می‌کشد.

«اون تون» (Owen Toon)، اقلیم‌شناسی از دانشگاه کلرادو – بولدر که نقشی در این پژوهش نداشته است، می‌گوید: «این یعنی بعید نیست که خورشید هم بر این ذرات ریز اثرگذار باشد.» وی این آزمایش را «حقیقتاً هیجان‌انگیز» می‌داند و می‌افزاید: «هسته‌زایی، زجرآورترین فرآیند جوی‌ست، چراکه فوق‌العاده حساس به دماست. پس فرآیندی حساس است و همین مسئله انجام هرگونه کار نظری را روی آن فوق‌العاده دشوار می‌کند. کار عملی با آن هم سخت است.»

کرکبی تأکید می‌کند که این پژوهش هیچ هدفی را در مسیر بررسی بنیان علمی پدیده زمین‌گرمایی در پی نگرفته بود، اما بخشی از آن ممکن است اثراتی را در این حوزه نیز برجا بگذاردد. مدل‌های فعلی اقلیم زمین، رشد دما میانگین زمین را به میزان سه تا هفت درجه فارنهایت، تا سال ۲۱۰۰ میلادی پیش‌بینی می‌کنند. داده‌های به‌دست‌آمده از آزمایش CLOUD، به مدل‌سازی‌های جهانی تشکیل هواویزها افزوده خواهد شد و این، در نهایت راه به مدل‌سازی‌های اقلیم زمین خواهد برد. کرکبی می‌افزاید: «این یافته‌ها تنها بخشی از پازل به شمار می‌روند و شاید بگویید اطلاعات‌مان از طرح کلی [اقلیم زمین] را ارتقا خواهند داد، اما به‌هیچ وجه اجزای دیگر این پازل را از میدان به در نمی‌کند.»

استفانی پاپاس (Stephanie Pappas)