Cum începe ploaia?
Imaginați-vă o pereche de apă care se ridică în atmosferă. Acestea se răcesc, formând mici cristale sau picături care se acumulează, formând nori, iar când greutatea particulelor individuale topite devine prea mare, plouă sau zăpadă din cer. Dar la ce temperatură se răcește apa din nori? Dacă apa este foarte curată, nu se îngheață la 0 ° C și rămâne lichidă până la -36 ° C sau chiar mai scăzută - acest fenomen se numește supracoolizare a apei. Temperatura obișnuită din interiorul norului, la care începe ploaia sau zăpada, de la -10 la -15 ° C.
Experimentați cu apă supraîncălzită.
Figura 1. Schema de formare a precipitațiilor. Rețineți că atât zăpada cât și ploaia încep cu formarea de gheață. Imaginea din [1].
Precipitarea devine posibilă datorită nucleelor de condensare suspendate în aer. picături formate sau cele mai mici particule solide, de exemplu praf și funingine, în jurul cărora se acumulează molecule de apă individuale. Ei nu au încetat să mai fie abur sau picături mici (diametru mediu de 20 microni (0,006-0,035 mm) - este foarte mic în comparație cu sol incidente picătură de ploaie), dar probabilitatea de tranziție la solide crește de stat considerabil deja: aceste agregate de apă sunt într-o stare metastabilă , și anume o poziție de tranziție între apa lichidă suspendată în aer și gheața densă formată în jurul nucleului. În funcție de temperatura sari toate moleculele de apă în faza solidă are loc cu o probabilitate mai mare sau mai mică, care crește odată cu scăderea temperaturii. Pentru fiecare nucleu de condensare, este caracteristică o temperatură specială de formare a gheții. Astfel, procesul de formare a gheții afectează precipitarea și, în plus, cantitatea de radiație solară reflectată sau nu reflectată de nori [1]. Trebuie adăugat că, în cele mai multe cazuri din nor primul picături grindină sau zăpadă, care se topește și se transformă în ploaie mai aproape de sol (Fig. 1).
De la sfârșitul anilor 1950, oamenii de știință din întreaga lume au început să recreeze nori în laborator și să testeze diferite nuclee de condensare, calculând temperatura formării gheții. În acest scop, s-au adăugat substanțe diferite în apa bine purificată și supraîncălzită. Sa constatat că dacă particulele de praf minerale sunt folosite ca nuclee, gheața se formează la o temperatură sub -15 ° C. Totuși, așa cum sa menționat mai sus, în nori acest proces are loc la temperaturi mai ridicate [1].
Testele de diferite extracte din sol, spălările frunzelor de la suprafață sau chiar bacterii și ciuperci prelevate de la plante a demonstrat ca moleculele organice pot servi ca nuclee de condensare, formând gheața, uneori chiar la -1,3 ° C [1].
Astfel, este posibil ca pentru ciclul apei în natură și "dozarea" luminii care se încadrează pe pământ - pentru ceea ce este fundamental pentru continuarea vieții pe Pământ - ființele care trăiesc pe acest Pământ sunt responsabile.
Gazdele de gheață
Multe lucruri vii știu să excrementeze molecule care au capacitatea de a forma gheață în jurul lor. Se crede că funcția principală a acestor molecule este de a proteja corpul de cristalele de gheață ascuțite, în cazul în care pot deteriora celulele vii. Pentru a face acest lucru, apa este înghețată la o distanță sigură. Rolul nucleelor de condensare este jucat în principal de proteine, uneori de lipoproteine. dar există dovezi că zaharul de pe suprafața polenului poate, de asemenea, transforma apa lichidă rece în gheață [2].
Molecule care servesc ca nuclee de condensare, au fost găsite în plante, insecte, sânge de pește, amfibieni și reptile, adică organisme vii în condiții de aproape sau sub 0 ° C și pentru a menține temperatura corpului constantă. Dar este puțin probabil ca moleculele de origine animală să apară în aer în cantități suficiente pentru a regla munca noriilor. Dar polenul, apropo, se găsește adesea în picături de ploaie. Dar, desigur, rolul principal în efectul biologic asupra sedimentului este jucat de microorganisme: alge, ciuperci (chiar simbionți fungici din licheni) și bacterii. Aceste creaturi pot servi ca nuclei de condensare datorită moleculelor situate pe suprafața lor [2].
Printre alge, speciile din genul Chlorella, locuitorii comune ai solului și a apei, sunt tocmai capacitatea de formare a gheții. Celulele lor provoacă formarea de gheață deja la -6 ° C. Se știe că Chlorella spp. ușor transportate de masele de aer, dar contribuția lor la formarea precipitațiilor nu a fost încă studiată [2].
Microfizii fungici liberi de viață din genul Fusarium sunt, de asemenea, capabili să înghețe apa și pot face acest lucru la -5 ° C. În nori, diferite tulpini de Fusarium spp. Dar sporii sunt în principal în creștere pe cer, și nu este încă dovedit dacă acestea poartă molecule de formare a gheții pe suprafața lor [2].
Și cel mai bun dintre toate, desigur, bacteriile fără apă sunt descrise. Interesant, toate tipurile cunoscute de bacterii implicate în formarea gheții, aparțin aceluiași grup de γ-Proteobacteria (tijă motilă Gram-negativ, nu formează spori). Cele mai multe dintre ele sunt într-o oarecare măsură legate de plante (proteobacterii gama pot fi agenți patogeni, comensale și chiar stimulente pentru creșterea plantelor). Lista doar câteva dintre ele: Pseudomonas syringae, P. viridiflava, P. fluorescens, P. borealis, agglomerans Pantoea, Pantoea ananatis și Xanthomonas campestris [2].
Abilitatea de a provoca formarea de gheață în Pseudomonas syringae a fost descoperită în 1972 (figura 2). Lungimea celulelor sale este de aproximativ 2 μm, astfel încât acestea se pot pierde ușor printre picăturile de ploaie (20 μm, amintiți?). Această bacterie este considerată un dăunător periculos în agricultură. provoacă leziuni grave la țesuturile de plante: cristalele de gheață străpung pereții celulei, eliberând accesul la nutrienți din celule (Figura 3).
Figura 3. Gheață pe frunzele urzelii Foto: Robert Reisman.
Proteine în îngheț
În toate proteinele γ, proteine foarte asemănătoare, cu lungimea de 800-1200 de aminoacizi, corespund formării gheții. Numele acestui grup de proteine (INA) ne amintește de îngheț, dar vine din cuvintele engleze Ice Nucleation Activity. Un capăt al proteinelor INA este fixat în membrana exterioară a celulei și părțile lor centrale formează un set de bucle de întindere β (Figura 4). Această structură clară ajută la ordonarea moleculelor de apă și la formarea gheții. proteină este capabilă de înghețare a apei la -1 ° C, dar este rar, de obicei, este combinat în complexe (aproximativ 50 copii ale proteinei) la suprafață bacteriile și participă la formarea gheții la -2 ° C în condiții optime (Fig. 5) [2 ].
Proteinele purificate INA și derivații acestora sunt utilizați pentru a produce zăpadă artificială, de exemplu, în stațiunile de schi sau pentru înghețarea rapidă a produselor.
Figura 4. Schema structurii părții centrale a proteinei INA. Culoarea este aminoacizii prezenți în toate proteinele de acest tip. Se crede că buclele formează legături slabe donor-acceptor cu atomii de hidrogen din moleculele de apă. Imaginea de la [2].
Figura 5. Formarea proteinei bacteriene gheață pe suprafața plantei. Verde arată buclele paralele ale proteinei INA. Moleculele roșii și albe sunt apă înghețată care străpunge o frunză a unei plante cu ace ascuțite. Figura - Tobias Weidner (Institutul Max Planck pentru cercetarea polimerilor).
Bacteriile dezvăluie ciclul apei
Microorganismele se poate ridica în aer din aproape orice suprafață și se întind ca o paralelă cu solul și la altitudini mari, de exemplu, bacterii vii si fungi au fost găsite în stratosferă. Concentrația microorganismelor în nor este estimat la aproximativ 30 de mii de celule per metru cub de nori sau 100 de mii de celule pe mililitru de apă condensată (cercetători ecranate porțiuni nori și numărat numărul de microorganisme) [3]. Dar până acum se cunoaște puțin despre mișcări precise, cantități și diversitatea celulelor.
Datorită capacității sale de a forma gheață și provoca precipitarea, microorganismele sunt capabile să coboare la sol după călătoria cu avionul. Oamenii de știință au oferit următorul ciclu: bacterii, în creștere de la frunze de plante, împreună cu umiditatea evaporata sunt în nor, se deplasează la distanțe mari (sol tipic microorganisme au fost găsite chiar și în zăpezile din Antarctica), și apoi coborâtă la sol cu zăpadă sau ploaie. Precipitarea accelerează creșterea plantelor pe suprafața căreia bacteriile se înmulțesc, gata să intre din nou în zbor (Figura 6).
Figura 6. Bacteriile din atmosferă contribuie la formarea de precipitații (ploaie și zăpadă) și pot fi returnate la sol în timpul precipitațiilor (și fără ele prea) .Risunok cu site-ul microbewiki.kenyon.edu.
Pentru a vedea cât de des bacteriile servesc ca nuclee de condensare, cercetatorii au colectat probe de zăpadă în apropierea orașului Bozeman, Montana (nordul Statelor Unite, 1451 m deasupra nivelului mării), de pe pantele din Alpii francezi și Pirinei, cu Ross Island, in apropiere de Antarctica și gheața de pe Yukon (nordul Canadei) . Sa dovedit că cele mai multe dintre nuclee de condensare este în zăpadă care a căzut la latitudini inferioare (SUA și Franța, în comparație cu Yukon și Antarctica). Aparent, în aceste zone temperatura din interiorul norii este mult mai mare decât în apropierea poliilor. Dar în toate probele s-au găsit nuclee de condensare de origine biologică. Și printre acestea, aproximativ 40% au fost bacterii [4].
Astfel, orice influență asupra mișcării bacteriilor din atmosferă - însămânțarea câmpurilor, despăduriri, creșterea orașelor - poate afecta într-un mod necunoscut cantitatea de precipitații. Pentru sudul Americii, sa arătat că în orașe mari, unde aerul cald crește mult mai repede decât în mediul rural, ploile sunt mai frecvente [5]. Există o ipoteză că peste pădurile tropicale precipitațiile abundente sunt cauzate de o multitudine de bacterii care trăiesc în această pădure. Cu toate acestea, există lucrări în care efectul bacteriilor asupra atmosferei este estimat a fi mai mic de 1% [6].
Peste 60 de ani de cercetare în acest domeniu sa dovedit rolul bacteriilor în formarea de precipitații, dar rolul de bacterii, alge, ciuperci, posibilitatea reproducerii lor în calea fluxului de aer în atmosferă, și multe alte probleme rămân un subiect pentru studiu suplimentar.
O lovitură minunată care surprinde cât de rapid se îngheață super-răcirea apei, dacă se adaugă bacterii cu proteine INA. Rețineți că termostatul arată temperatura la care apa nu îngheață - și aceasta este -7 ° C.
Linkuri interesante
Site-ul. unde puteți vedea mișcarea de nori pe Pământ în ultimii 10 ani.
Există încă câteva ipoteze și întrebări interesante pe această temă în revista "Batrakhospermum".
Cartea științifică populară în limba rusă despre nori: Gavin Pretor-Pinney. Interesantă cloudologie. Manualul fanilor nori. (pe site-ul pe care îl puteți descărca într-o varietate de formate diferite).
literatură
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: