Vědci objasnili, proč je minerál mikroklín tak účinný při vzniku ledu v mracích

Vědecký tým složený z badatelů z Bielefeld University, University of Vienna a University of Helsinki zveřejnil v časopise Nature Communications studii, která podrobně popisuje, proč je minerál mikroklín tak výjimečně účinný při vzniku ledu v atmosférických oblacích. Zjištění vrhají nové světlo na procesy, které ovlivňují tvorbu srážek a klima na celém světě.

Čistá voda za normálních okolností zamrzá až při teplotě kolem -38 °C. V přírodě ale led vzniká i za výrazně vyšších teplot, a to díky přítomnosti takzvaných ledových nukleátorů – drobných částic, které slouží jako povrch, na němž se molekuly vody mohou uspořádat do krystalické struktury ledu mnohem snadněji než ve vzduchu bez jakýchkoli nečistot. Mezi nejúčinnější přírodní nukleátory patří právě minerální prachové částice, a mikroklín, jeden z živců hojně se vyskytujících v zemské kůře, patří mezi ty nejefektivnější vůbec.

Vědci se zaměřili na to, jaké konkrétní vlastnosti povrchu mikroklínu umožňují molekulám vody organizovat se do ledové mřížky již při relativně vysokých teplotách, tedy dávno předtím, než by čistá voda zamrzla sama od sebe. Výzkum kombinoval experimentální pozorování s podrobnou analýzou struktury minerálu, aby autoři pochopili mechanismus, jímž atomární uspořádání na povrchu částic napomáhá nukleaci ledu.

Výsledky ukazují, že mikroklín disponuje specifickými strukturálními rysy, které z něj dělají mimořádně účinný katalyzátor tvorby ledových krystalů v porovnání s jinými minerály přítomnými v atmosférickém prachu. Tato vlastnost má zásadní důsledky pro pochopení toho, jak se v oblacích tvoří srážky – ať už jde o déšť, sníh nebo krupobití.

Oblaka totiž často obsahují kapičky přechlazené vody, tedy vody, která zůstává v tekutém stavu i při teplotách hluboko pod bodem mrazu, protože jí chybí vhodný povrch pro zahájení krystalizace. Jakmile se v takovém oblaku objeví částice minerálního prachu s vlastnostmi podobnými mikroklínu, proces zamrzání se výrazně urychlí. To následně ovlivňuje, jak rychle a v jaké formě z oblaku vypadnou srážky.

Podle autorů studie má lepší porozumění chování mikroklínu praktický dopad na klimatické modely, které se snaží predikovat vývoj počasí i dlouhodobé klimatické trendy. Přesnější znalost toho, které minerály a za jakých podmínek fungují jako ledové nukleátory, umožňuje vědcům zpřesnit simulace toho, jak atmosférický prach – pocházející například z pouští, sopečné činnosti nebo lidské činnosti – ovlivňuje tvorbu oblačnosti a srážkové vzorce v různých částech světa.

Atmosférický prach se do vzduchu dostává z mnoha zdrojů, přičemž značná část pochází z rozsáhlých pouštních oblastí, jako je Sahara, odkud jsou částice unášeny větrem na velké vzdálenosti, včetně přesunů přes oceány. Tyto minerální částice mohou ovlivňovat počasí i tisíce kilometrů od místa svého původu.

Výzkumníci z Bielefeld University, University of Vienna a University of Helsinki zdůrazňují, že jejich zjištění pomáhají vysvětlit rozdíly v efektivitě nukleace ledu mezi jednotlivými minerály, které byly dosud pozorovány experimentálně, ale bez jasného teoretického vysvětlení. Podrobné pochopení mechanismu na atomární úrovni nyní umožňuje lépe interpretovat, proč se určité typy prachu chovají v atmosféře odlišně.

Studie tak přispívá k širšímu úsilí vědecké komunity o zpřesnění modelů, které popisují interakci mezi atmosférickým aerosolem a tvorbou oblaků. Tento vztah patří mezi jedny z nejméně jistých faktorů v současných klimatických modelech, a proto každé nové poznání o chování konkrétních typů částic má význam pro zlepšení předpovědí budoucího vývoje klimatu.

Autoři studie plánují v navazujícím výzkumu prozkoumat, zda podobné mechanismy fungují i u dalších minerálů obsažených v atmosférickém prachu, a jak se jejich účinnost mění v závislosti na velikosti částic, vlhkosti vzduchu a dalších environmentálních podmínkách. Cílem je vytvořit komplexnější obraz toho, jak přírodní i lidmi vyprodukovaný prach ovlivňuje globální klimatický systém.