Badanie w Dartmouth rozwiązało zagadkę morską, łącząc biomarker oceaniczny z poziomem zanieczyszczenia.
Badanie prowadzone przez Dartmouth College z wykorzystaniem rdzeni lodowych z Alaski i Grenlandii ujawniło, że do Arktyki dotarły znaczne ilości zanieczyszczeń powietrza ze spalania paliw kopalnych, znacząco wpływając na skład chemiczny atmosfery. Wyniki te podkreślają rozległy wpływ emisji z paliw kopalnych i skuteczność przepisów dotyczących czystego powietrza, które zdaniem zespołu badawczego mogą złagodzić te skutki.
Jak wynika z raportu opublikowanego w czasopiśmie „Europa przemysłowa”, wpływ zanieczyszczeń na Arktykę zaczął się wraz z upowszechnieniem się paliw kopalnych w epoce przemysłowej. Nauka o przyrodzie. Naukowcy wykryli ten ślad w nieoczekiwanym miejscu — zmierzyli spadek unoszącego się w powietrzu produktu ubocznego aktywności morskiego fitoplanktonu, znanego jako metanosulfonian kwaslub MSA, uwięzione w rdzeniach lodowych, gdy zanieczyszczenie powietrza zaczęło rosnąć.
Fitoplankton jest kluczowy gatunek w oceanicznych sieciach pokarmowych i obiegach węgla uważa się za czynniki wpływające na reakcję oceanu na zmianę klimatu. Naukowcy wykorzystali MSA jako wskaźnik zmniejszonej produktywności fitoplanktonu, a tym samym zagrożonego ekosystemu oceanicznego.
Jednak zespół kierowany przez Dartmouth donosi, że MSA spada również w środowiskach o wysokiej emisji gazów cieplarnianych powstałych w wyniku spalania paliw kopalnych, nawet jeśli liczebność fitoplanktonu jest stabilna. Ich modele wykazały, że te emisje powodują, że początkowa cząsteczka wytwarzana przez fitoplankton – siarczek dimetylu – zamienia się w siarczan zamiast w MSA, co prowadzi do zwodniczego spadku poziomów MSA.
Naukowcy odkryli gwałtowne spadki MSA, które zbiegły się z początkiem industrializacji. Kiedy w połowie XIX wieku w Europie i Ameryce Północnej zaczęto spalać duże ilości paliw kopalnych, zawartość MSA w rdzeniach lodowych Grenlandii zaczęła gwałtownie spadać. Następnie, prawie sto lat później, ten sam biomarker gwałtownie spadł w rdzeniach lodowych na Alasce, mniej więcej w czasie, gdy Azja Wschodnia przechodziła industrializację na dużą skalę.
Długoterminowe skutki zanieczyszczenia powietrza
„Nasze badanie jest jaskrawym przykładem tego, jak zanieczyszczenie powietrza może znacząco zmienić skład chemiczny atmosfery tysiące kilometrów stąd. Nie udało się tam zatrzymać zanieczyszczeń emitowanych w Azji i Europie” – mówi Jacob Chalif, pierwszy autor badania i absolwent w laboratorium starszego autora Ericha Osterberga, profesora nauk o Ziemi w Dartmouth.
„Wypuszczając na świat całe te zanieczyszczenia, zasadniczo zmieniamy procesy atmosferyczne” – mówi Chalif. „Fakt, że w tych odległych obszarach Arktyki widać niezaprzeczalne ślady człowieka, pokazuje, że dosłownie nie ma zakątka na tej planecie, którego byśmy nie dotknęli”.
Nowe badanie rozwiązuje trwającą od lat morską tajemnicę dotyczącą znaczenia MSA, mówi Osterberg, który kierował wydobyciem 250-metrowego rdzenia lodowego z Parku Narodowego i Rezerwatu Denali, którego naukowcy wykorzystali w swojej analizie. Osterberga rdzeń zebrano w 2013 roku ze współautorami badania i profesorami Cameronem Wake’em z Uniwersytetu Nowej Anglii oraz absolwentem Karla Kreutza i Dartmouth Dominicem Winskim ’09, który również uzyskał stopień doktora w Dartmouth w 2018 r., na Uniwersytecie Maine.
Rdzeń Denali zawiera dane klimatyczne z tysiącleci w postaci pęcherzyków gazu, cząstek stałych i związków uwięzionych w lodzie, w tym MSA, który jest częstym celem analiz rdzeni lodowych. Przez stulecia MSA w rdzeniu Denali podlegało niewielkim wahaniom, „aż do połowy XX wieku, kiedy spadło ze stołu” – mówi Osterberg.
Naukowcy z laboratorium ICE Lab w Osterbergu, początkowo kierowani przez współautora badania i absolwenta Dartmouth Davida Polashenskiego ’17, rozpoczęli badanie, co wskazuje na gwałtowny spadek poziomu MSA w północnym Pacyfiku. Osterberg i współautorka badania Bess Koffman, profesor w Colby College, która odbyła staż podoktorski w Dartmouth, przetestowali później liczne teorie, aby wyjaśnić, dlaczego Denali MSA odmówił. Podobnie jak w przypadku badania na Grenlandii, najpierw rozważono, czy spadek MSA jest dowodem na załamanie produktywności morza, „ale nic nie wyszło” – mówi Osterberg. „To była tajemnica”.
Chalif podjął się tego projektu mniej więcej w czasie, gdy współautorka badania i absolwentka Dartmouth Ursula Jongebloed ’18, obecnie absolwentka Uniwersytetu Uniwersytet Waszyngtońskiponownie oceniałem badanie z 2019 r dotyczące rdzeni lodowych na Grenlandii, donoszące, że MSA ulega tam stałemu spadkowi, począwszy od XIX wieku. Badanie to powiązało spadek populacji fitoplanktonu w subarktycznym Atlantyku w wyniku spowolnienia prądów oceanicznych.
Ale praca Jongebloeda do tego doprowadziła badanie opublikowane w ubiegłym roku donoszą, że spadki MSA stwierdzane w rdzeniach lodowych Grenlandii nie są wynikiem załamania się ekosystemu morskiego. Zamiast tego mogą być spowodowane zanieczyszczeniem, które przede wszystkim uniemożliwia tworzenie się MSA.
Chalif i Jongebloed spotkali się na konferencji w Szwajcarii w 2022 r. i omówili zapisy MSA Grenlandii i Denali. „Przemyśleliśmy ponownie wszystkie nasze wcześniejsze założenia” – mówi Chalif. „Wiedzieliśmy, że spadający MSA w Denali nie jest spowodowany produktywnością mórz, więc wiedzieliśmy, że musi to wiązać się z jakąś zmianą w chemii atmosfery”.
Omówili możliwy wpływ zanieczyszczenia azotanami, które są powszechnie emitowane podczas spalania paliw kopalnych. Jeszcze tego samego wieczoru Chalif zaczął badać wpływ azotanów na MSA.
„Prawie do roku, w którym MSA spada w Denali, poziom azotanów gwałtownie rośnie. Bardzo podobna rzecz wydarzyła się na Grenlandii” – mówi Chalif. „W Denali MSA utrzymuje się na stosunkowo stałym poziomie od 500 lat, bez zauważalnej tendencji. Następnie w 1962 r. gwałtownie spada. Poziom azotanów był podobny, ale w przeciwnym kierunku – przez stulecia był w zasadzie płaski, a potem gwałtownie wznosił się w górę. Kiedy to zobaczyłem, przeżyłem moment eureki.
Wpływ zanieczyszczeń i rola regulacji
Wyniki wykazały, że zanieczyszczenie powietrza powstałe w wyniku spalania paliw kopalnych rozprzestrzenia się po Oceanie Atlantyckim i Spokojnym, hamując produkcję MSA w Arktyce. Oprócz wykluczenia powszechnego załamania się ekosystemu morskiego odkrycia otwierają nowe możliwości wykorzystania poziomów MSA do pomiaru zanieczyszczenia atmosfery, szczególnie w regionach bez oczywistych źródeł emisji – podają naukowcy.
„Załamanie ekosystemu morskiego po prostu nie sprawdziło się jako wyjaśnienie spadku MSA, a ci młodzi naukowcy odkryli, co się naprawdę dzieje” – mówi Osterberg.
„Dla mnie jest to nowy sposób zrozumienia wpływu zanieczyszczeń na naszą atmosferę” – mówi. „Dobra wiadomość jest taka, że nie obserwujemy upadku ekosystemów morskich, o jakim myśleliśmy. Zła wiadomość jest taka, że przyczyną tego jest zanieczyszczenie powietrza”.
Jednak dane z rdzenia Grenlandii pokazują, że lokalna atmosfera zaczęła się stabilizować, gdy zanieczyszczenie powietrza w Europie i Ameryce zostało lepiej uregulowane, mówi Osterberg. Poziom MSA odbił się w latach 90. XX wieku, gdy spadł poziom zanieczyszczenia azotem. Dzieje się tak dlatego, że tlenki azotu, czyli rodzaj zanieczyszczenia wpływającego na MSA, rozpraszają się w ciągu kilku dni, w przeciwieństwie do dwutlenku węgla, który zalega w atmosferze przez wieki.
„Dane te pokazują, jaką siłę mają regulacje w ograniczaniu zanieczyszczenia powietrza i że mogą one przynieść natychmiastowy skutek po zakręceniu kurka” – mówi Osterberg. „Martwię się, że młodzi ludzie pogodzą się z kryzysem środowiskowym, ponieważ słyszymy tylko złe wieści. Myślę, że ważne jest, aby cieszyć się dobrą wiadomością, gdy ją otrzymamy. Tutaj widzimy, że regulacje mogą zadziałać”.
Odniesienie: „Zanieczyszczenie napędza wielodekadowy spadek subarktycznego kwasu metanosulfonowego” Jacoba I. Chalifa, Ursuli A. Jongebloed, Ericha C. Osterberga, Bess G. Koffmana, Becky Alexander, Dominica A. Winskiego, Davida J. Polashenskiego, Karen Stamieszkin, Davida G. Ferris, Karl J. Kreutz, Cameron P. Wake i Jihong Cole-Dai, 23 września 2024 r., Nauka o przyrodzie.
DOI: 10.1038/s41561-024-01543-w
Badanie zostało sfinansowane przez amerykańską National Science Foundation.
