تتشكل الغيوم عندما يلتصق بخار الماء – وهو غاز غير مرئي في الغلاف الجوي – بجزيئات صغيرة طافية، مثل الغبار، ويتحول إلى قطرات ماء سائلة أو بلورات ثلج. في دراسة منشورة حديثًا، أظهرنا أن جزيئات البلاستيك الدقيقة يمكن أن يكون لها نفس التأثيرات، حيث تنتج بلورات ثلجية عند درجات حرارة تتراوح من 5 إلى 10 درجات مئوية (9 إلى 18 درجة فهرنهايت) أكثر دفئًا من القطرات التي لا تحتوي على جزيئات بلاستيكية دقيقة.
يشير هذا إلى أن المواد البلاستيكية الدقيقة الموجودة في الهواء قد تؤثر على الطقس والمناخ من خلال إنتاج السحب في ظروف لا تتشكل فيها بطريقة أخرى.
نحن كيميائيون في الغلاف الجوي ندرس كيف تشكل أنواع مختلفة من الجزيئات الجليد عندما تتلامس مع الماء السائل. وتسمى هذه العملية، التي تحدث باستمرار في الغلاف الجوي، بالتنوي.
يمكن أن تتكون السحب الموجودة في الغلاف الجوي من قطرات الماء السائل أو جزيئات الجليد أو خليط من الاثنين. في السحب الموجودة في الطبقة الوسطى إلى العليا من الغلاف الجوي حيث تتراوح درجات الحرارة بين 32 و36 درجة فهرنهايت (0 إلى 38 درجة مئوية تحت الصفر)، تتشكل بلورات الجليد عادة حول جزيئات الغبار المعدني من التربة الجافة أو الجزيئات البيولوجية، مثل حبوب اللقاح أو البكتيريا.
يبلغ عرض المواد البلاستيكية الدقيقة أقل من 5 ملم، أي بحجم ممحاة قلم الرصاص تقريبًا. بعضها مجهري. وقد عثر عليها العلماء في أعماق البحار القطبية الجنوبية، وقمة جبل إيفرست والثلوج الطازجة في القطب الجنوبي. ولأن هذه الشظايا صغيرة جدًا، فيمكن نقلها بسهولة في الهواء.
لماذا يهم
الجليد في السحب له تأثيرات مهمة على الطقس والمناخ لأن معظم هطول الأمطار يبدأ عادة كجزيئات جليدية.
تمتد العديد من قمم السحب في المناطق غير الاستوائية حول العالم إلى ارتفاع كافٍ في الغلاف الجوي بحيث يؤدي الهواء البارد إلى تجميد بعض الرطوبة فيها. وبعد ذلك، بمجرد أن يتشكل الجليد، فإنه يسحب بخار الماء من القطرات السائلة المحيطة به، وتصبح البلورات ثقيلة بدرجة كافية لسقوطها. إذا لم يتطور الجليد، تميل السحب إلى التبخر بدلاً من التسبب في هطول الأمطار أو تساقط الثلوج.
بينما يتعلم الأطفال في المدرسة الابتدائية أن الماء يتجمد عند درجة حرارة 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية)، فإن هذا ليس صحيحًا دائمًا. بدون وجود شيء يمكن أن يتشكل عليه، مثل جزيئات الغبار، يمكن تبريد الماء بشكل فائق إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 36 درجة فهرنهايت (ناقص 38 درجة مئوية) قبل أن يتجمد.
لكي يحدث التجمد في درجات حرارة أكثر دفئًا، يجب أن تكون هناك مادة لا تذوب في الماء في القطرة. يوفر هذا الجسيم سطحًا يمكن أن تتشكل فيه أول بلورة ثلجية. إذا كانت المواد البلاستيكية الدقيقة موجودة، فقد تتسبب في تكوين بلورات ثلجية، مما قد يؤدي إلى زيادة هطول الأمطار أو تساقط الثلوج.
تؤثر الغيوم أيضًا على الطقس والمناخ بعدة طرق. فهي تعكس ضوء الشمس الوارد بعيدًا عن سطح الأرض، مما له تأثير تبريد، وتمتص بعض الإشعاع المنبعث من سطح الأرض، والذي له تأثير دافئ.
تعتمد كمية ضوء الشمس المنعكس على كمية الماء السائل مقابل الجليد الذي تحتويه السحابة. إذا زادت المواد البلاستيكية الدقيقة من وجود جزيئات الجليد في السحب مقارنة بقطرات الماء السائل، فإن نسبة التحول هذه يمكن أن تغير تأثير السحب على توازن طاقة الأرض.
كيف قمنا بعملنا
لمعرفة ما إذا كانت شظايا البلاستيك الدقيقة يمكن أن تكون بمثابة نواة لقطرات الماء، استخدمنا أربعة من أكثر أنواع البلاستيك انتشارًا في الغلاف الجوي: البولي إيثيلين منخفض الكثافة، والبولي بروبيلين، والبولي فينيل كلوريد، والبولي إيثيلين تيريفثاليت. تم اختبار كل منها في حالتها الأصلية وبعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية والأوزون والأحماض. كل هذه العناصر موجودة في الغلاف الجوي ويمكن أن تؤثر على تكوين المواد البلاستيكية الدقيقة.
قمنا بتعليق الجسيمات البلاستيكية الدقيقة في قطرات ماء صغيرة وقمنا بتبريد القطرات ببطء لملاحظة متى تتجمد. وقمنا أيضًا بتحليل أسطح الأجزاء البلاستيكية لتحديد بنيتها الجزيئية، نظرًا لأن نواة الجليد يمكن أن تعتمد على كيمياء سطح اللدائن الدقيقة.
بالنسبة لمعظم المواد البلاستيكية التي درسناها، تم تجميد 50% من القطرات عند تبريدها إلى درجة حرارة -8 درجة فهرنهايت (ناقص 22 درجة مئوية). وتتوازي هذه النتائج مع تلك التي توصلت إليها دراسة حديثة أخرى أجراها علماء كنديون، والذين وجدوا أيضًا أن بعض أنواع اللدائن الدقيقة تنتج نواة الجليد عند درجات حرارة أكثر دفئًا من القطرات التي لا تحتوي على جزيئات بلاستيكية دقيقة.
يميل التعرض للأشعة فوق البنفسجية والأوزون والأحماض إلى تقليل نشاط نواة الجليد على الجزيئات. يشير هذا إلى أن نواة الجليد حساسة للتغيرات الكيميائية الصغيرة على سطح جزيئات البلاستيك الدقيقة. ومع ذلك، لا تزال هذه المواد البلاستيكية تشكل جليدًا نوويًا، لذا لا يزال بإمكانها التأثير على كمية الجليد في السحب.
ما لا يزال غير معروف
لفهم كيفية تأثير المواد البلاستيكية الدقيقة على الطقس والمناخ، نحتاج إلى معرفة تركيزاتها على الارتفاعات التي تتشكل فيها السحب. نحتاج أيضًا إلى فهم تركيز اللدائن الدقيقة مقارنةً بالجسيمات الأخرى التي يمكن أن تؤدي إلى نواة الجليد، مثل الغبار المعدني والجسيمات البيولوجية، لمعرفة ما إذا كانت اللدائن الدقيقة موجودة بمستويات مماثلة. ستسمح لنا هذه القياسات بوضع نموذج لتأثير المواد البلاستيكية الدقيقة على تكوين السحب.
تأتي الشظايا البلاستيكية بأحجام وتركيبات عديدة. وفي الأبحاث المستقبلية، نخطط للعمل مع المواد البلاستيكية التي تحتوي على مواد مضافة، مثل الملدنات والملونات، وكذلك مع جزيئات بلاستيكية أصغر.
موجز البحث عبارة عن نبذة قصيرة عن العمل الأكاديمي المثير للاهتمام.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. بقلم: ميريام فريدمان، ولاية بنسلفانيا وهايدي بوسي، ولاية بنسلفانيا
اقرأ المزيد:
تتلقى ميريام فريدمان تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم.
تتلقى هايدي بوس تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم.