Аммиак из гуано пингвинов оказался главным прекурсором для аэрозолей, которые формируют ядра конденсации, а следовательно и облака над антарктическим побережьем. Когда пингвины мигрируют, выделять аммиак продолжает удобренная ими почва. Сейчас популяции пингвинов сокращаются из-за потери морского льда, и в будущем это грозит усилением потепления в Антарктике, поскольку с падением облачности атмосфера над ней будет хуже отражать солнечный свет. Такие прогнозы содержит статья, опубликованная в журнале Communications Earth & Environment.
Облака играют важную роль в климате: они не только обеспечивают выпадение осадков, но и отражают падающий на них свет из-за высокого альбедо, то есть охлаждают климат. Известно, что скачок потепления в 2023 году случился из-за рекордно низкого альбедо планеты — маленькое количество облаков дополнительно нагрело ее на 0,2 градуса. Также облака уменьшают нисходящее длинноволновое излучение над сушей, и охлаждающий эффект этого механизма составляет почти два ватта на квадратный метр за десятилетие.
Именно с облаками связаны многие геоинженерные инициативы людей по охлаждению климата. Как правило, они сводятся к распылению аэрозолей, которые выступают в качестве ядер конденсации и делают облака гуще. В природе источниками таких аэрозолей обычно становятся растительность суши или фитопланктон, которые выделяют их прекурсоры — летучие органические соединения. Про химический механизм образования аэрозолей (и соответственно облаков) над районами, удаленными от удаленных от большой суши и продуктивных районов мирового океана, известно существенно меньше.
Ученые под руководством Мэттью Бойера (Matthew Boyer) из Хельсинкского университета изучили механизм образования аэрозольных прекурсоров на Антарктическом полуострове. На обсерватории вблизи станции Марамбио летом 2023 года они провели ряд атмосферных наблюдений — высокочувствительные измерения аммиака в воздухе с помощью спектрометра QC-TILDAS, масс-спектрометрический анализ аэрозольных прекурсоров (нитрат-иона, серной, метансульфоновой и йодной кислот), измерения размеров аэрозольных частиц, их химического состава и скорости их образования. Также авторы определяли размеры капель внутри облаков и фиксировали основные метеорологические показатели — температуру, влажность, скорость и направление ветра, солнечную радиацию.
Вблизи антарктической станции находились две колонии пингвинов: основная, с населением порядка 30 тысяч пар птиц в восьми километрах к юго-западу, и дополнительная, из примерно 15700 пар птиц в 10 километрах к северо-западу. Атмосферные наблюдения позволили установить, что именно пингвины играют главную роль в выбросах аммиака и формировании аэрозолей в регионе. Вклад Южного океана на их фоне совсем незначителен, зато удобренные пингвинами так называемые орнитогенные почвы продолжали выделять аммиак в воздух еще в течение месяца после того как птицы покидали колонию для миграции. Если ветер двигался к обсерватории со стороны колонии, то концентрация аммиака в воздухе достигала 13,5 ppb (частей на миллиард). Вблизи же колоний концентрация аммиака была сопоставима с районами суши, в которых ведется сельское хозяйство с применением азотных удобрений.
Образование новых аэрозольных частиц отмечалось только когда ветер дул со стороны колонии. Насыщение аммиаком воздуха происходило при пороговой концентрации, равной 100 ppt (частей на триллион), а скорость образования частиц зависела преимущественно от концентрации серной кислоты, в некоторых случаях также от наличия диметиламина или йодных кислот (HIO₂ и HIO₃). Ученые смогли в реальном времени наблюдать образование облаков первого февраля, когда ветер принес большое количество аммиака, и в течение шести часов концентрация частиц в воздухе выросла до 16 тысяч штук на кубический сантиметр, а после этого сформировался туман. Химический анализ выпавших капель показал наличие сульфата аммония и, таким образом, подтвердил роль пингвинов в этом климатическом событии.
Колонии пингвинов распространены по всему антарктическому побережью, и орнитогенные почвы этих районов могут быть долговременными источниками аммиака даже в межсезонье. Однако в регионе наблюдается постоянное сокращение протяженности морского льда, которое уничтожает среду обитания пингвинов и уже приводит к снижению численности их популяций. К концу века некоторые виды этих птиц могут исчезнуть. Это позволяет прогнозировать развитие следующей климатической обратной связи: если пингвинов станет меньше, то сократятся и выбросы аммиака, вслед за этим будем образовываться меньше аэрозолей и ядер конденсации, снизятся облачность и альбедо, и в результате Антарктика начнет нагреваться еще сильнее.
Возможный способ понизить температуру на всей планете и особенно в приполярных широтах — распылять оксид серы близи обоих полюсов. При этом не обязательно подниматься на высоту около 20 километров, поскольку над полюсами стратосфера начинается ниже, и доставить аэрозоли в нее смогут обычные гражданские самолеты Boeing модификации 777F. Недавно ученые установили, что для этой цели понадобится 102 авиалайнера, два года и более 60 миллионов тонн оксида серы.