Dwa przełomowe badania, w których uczestniczyli naukowcy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie, Instytutu Chemii Maxa Plancka, Uniwersytetu w Helsinkach, Instytutu Badań Troposferycznych Leibniza i brazylijskich instytucji partnerskich, odkryły nowy mechanizm klimatyczny.
Las deszczowy Amazonii emituje ogromne ilości gazowego izoprenu w wyniku transpiracji roślin. Wcześniej naukowcy uważali, że izopren nie może przedostać się daleko do atmosfery, ponieważ szybko rozkłada się pod wpływem światła słonecznego. Jednakże dane z kampanii pomiarowej CAFE-Brazylia, obecnie przedstawione w: Natura historia z okładki, ujawnia inną historię. Badania pokazują, że nocne burze przenoszą izopren na wysokość nawet 15 kilometrów. Na tych wysokościach izopren reaguje, tworząc związki chemiczne, które tworzą duże ilości nowych cząstek aerozolu. Cząsteczki te rosną i działają jak jądra kondensacji, ułatwiając tworzenie się chmur. Proces ten prawdopodobnie wpływa na klimat, podkreślając złożoną interakcję między ekosystemami lasów deszczowych a dynamiką atmosfery.
Jak amazoński izopren wpływa na globalne wzorce klimatyczne
Któż nie cieszył się aromatycznym zapachem unoszącym się w powietrzu podczas spaceru po lesie w letni dzień? Za ten typowy zapach odpowiadają częściowo terpeny, grupa substancji występujących w żywicach drzewnych i olejkach eterycznych. Podstawową i najliczniejszą cząsteczką jest izopren. Szacuje się, że każdego roku zakłady na całym świecie uwalniają do otaczającej atmosfery od 500 do 600 milionów ton izoprenu, co odpowiada za około połowę całkowitej emisji gazowych związków organicznych z roślin. „Samo las deszczowy Amazonii jest odpowiedzialny za ponad jedną czwartą tych emisji” – wyjaśnia badacz atmosfery, profesor Joachim Curtius z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie.
Dotychczas sądzono, że izopren w dorzeczu Amazonki ulega szybkiej degradacji i nie dociera do wyższych warstw atmosfery. Dzieje się tak, ponieważ rodniki hydroksylowe tworzą się w atmosferze blisko ziemi w ciągu dnia, gdy świeci słońce. Są wysoce reaktywne i niszczą cząsteczki izoprenu w ciągu kilku godzin. „Jednak ustaliliśmy, że jest to tylko częściowo prawdą” – mówi Curtius. „Nocą w lesie deszczowym nadal znajdują się znaczne ilości izoprenu, a znaczna część tych cząsteczek może zostać przetransportowana do wyższych warstw atmosfery”.
Burze działają jak odkurzacze
Odpowiedzialne za to są tropikalne burze, które w nocy nadciągają nad lasem deszczowym. Wyciągają izopren jak odkurzacz i transportują go na wysokość od 8 do 15 kilometrów. Gdy tylko wzejdzie słońce, tworzą się rodniki hydroksylowe, które reagują z izoprenem. Jednak w ekstremalnie niskich temperaturach panujących na tak dużych wysokościach cząsteczki lasu deszczowego przekształcają się w związki inne niż te znajdujące się w pobliżu ziemi. Wiążą się z tlenkami azotu wytwarzanymi przez piorun podczas burzy. Wiele z tych cząsteczek może następnie skupiać się, tworząc cząstki aerozolu o wielkości zaledwie kilku nanometrów. Cząsteczki te z kolei rosną z biegiem czasu, a następnie służą jako jądra kondensacji pary wodnej – odgrywają zatem ważną rolę w tworzeniu się chmur w tropikach.
„Udało nam się rzucić światło na te procesy za pomocą lotów badawczych, które rozpoczęły się dwie godziny przed wschodem słońca i trwały przez cały dzień” – wyjaśnia profesor Jos Lelieveld. Jest dyrektorem Instytutu Chemii Maxa Plancka w Moguncji, a także kierownikiem projektu badawczego CAFE-Brazil (Chemia atmosfery: eksperyment terenowy w Brazylii), w ramach którego międzynarodowy zespół badawczy zbierał dane na temat procesów chemicznych zachodzących w atmosferze nad lasem deszczowym Amazonii. „Udało nam się wykryć znaczne ilości izoprenu w powietrzu wydobywającym się z burz na dużych wysokościach, z czego po kilku reakcjach chemicznych szybko utworzyły się nowe cząsteczki aerozolu”.
Wpływ na globalny klimat i powstawanie chmur
Curtius i Lelieveld są nie tylko partnerami w CAFE-Brazil, ale także zaangażowani w konsorcjum CLOUD, w którym ponad 20 grup badawczych bada procesy chemiczne zachodzące w atmosferze mające wpływ na klimat. Odwzorowują warunki jakie panują na tej wysokości w komorze doświadczalnej aerozolu i chmur o godz CERN w Genewie. Za pomocą tej komory symulacyjnej szczegółowo analizują, jakie reakcje są wywoływane przez światło słoneczne.
„W ten sposób byliśmy w stanie dokładnie określić szybkość, z jaką cząstki aerozolu tworzą się z produktów izoprenowych” – wyjaśnia badacz atmosfery, dr Xu-Cheng He, który kieruje eksperymentami z izoprenem. „Co ciekawe, okazało się, że nawet bardzo małe ilości siarki kwas i oksokwasy jodu powszechnie obecne w atmosferze są wystarczające, aby przyspieszyć tworzenie się cząstek aerozolu 100-krotnie. Cząsteczki te mogą zatem wspólnie wpływać na powstawanie chmur morskich – proces niezwykle niepewny w prognozach klimatycznych”.
Kwas siarkowy powstaje w atmosferze z różnych substancji siarkowych. Może to wynikać przede wszystkim z reakcji dwutlenku siarki z rodnikami hydroksylowymi. W ramach eksperymentu CLOUD grupa badawcza z Frankfurtu była odpowiedzialna za pomiar niezwykle niskich stężeń kwasu siarkowego, a zespół z Moguncji za pomiar rodników hydroksylowych.
Długodystansowe implikacje cząstek izoprenu
Wiatry panujące na dużych wysokościach nad lasem deszczowym Amazonii mogą przenosić cząstki powstałe z izoprenu nawet na tysiące kilometrów od źródeł. Oznacza to, że mogą wpływać na powstawanie chmur na dużych odległościach. Ponieważ chmury, w zależności od ich rodzaju i wysokości, chronią promieniowanie słoneczne i zapobiegają wypromieniowywaniu ciepła w przestrzeń kosmiczną, odgrywają kluczową rolę w klimacie. Naukowcy oczekują zatem, że ich odkrycia przyczynią się do udoskonalenia modeli klimatycznych.
Z wyników projektu CAFE-Brazil wynika również, że dalsze wylesianie lasów deszczowych Amazonii może mieć dwojaki wpływ na klimat. „Z jednej strony uwalniane są gazy cieplarniane, ponieważ las nie magazynuje już dwutlenku węgla” – mówi Curtius. „Z drugiej strony wycinanie lasów wpływa zarówno na obieg wody, jak i emisję izoprenu, jeszcze bardziej napędzając zmiany klimatyczne”.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Tajna fabryka aerozoli Amazonii: rozwiązanie 20-letniej zagadki atmosferycznej.
Referencje:
„Azotany izoprenu napędzają powstawanie nowych cząstek w górnej troposferze Amazonii” Joachim Curtius, Martin Heinritzi, Lisa J. Beck, Mira L. Pöhlker, Nidhi Tripathi, Bianca E. Krumm, Philip Holzbeck, Clara M. Nussbaumer, Lianet Hernández Pardo, Thomas Klimach, Konstantinos Barmpounis, Simone T. Andersen, Roman Bardakov, Birger Bohn, Micael A. Cecchini, Jean-Pierre Chaboureau, Thibaut Dauhut, Dirk Dienhart, Raphael Dörich, Achim Edtbauer, Andreas Giez, Antonia Hartmann, Bruna A. Holanda, Philipp Joppe, Katharina Kaiser, Timo Keber, Hannah Klebach , Ovid O. Krüger, Andreas Kürten, Christian Mallaun, Daniel Marno, Monica Martinez, Carolina Monteiro, Carolina Nelson, Linda Ort, Subha S. Raj, Sarah Richter, Akima Ringsdorf, Fabio Rocha, Mario Simon, Sreedev Sreekumar, Anywhere Tsokankunku, Gabriela R. Unfer, Isabella D. Valenti, Nijing Wang, Andreas Zahn, Marcel Zauner-Wieczorek, Rachel I. Albrecht, Meinrat O. Andreae, Paulo Artaxo, John N. Crowley, Horst Fischer, Hartwig Harder, Dirceu L. Herdies, Luiz AT Machado, Christopher Pöhlker, Ulrich Pöschl, Anna Possner, Andrea Pozzer, Johannes Schneider, Jonathan Williams i Jos Lelieveld, 4 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08192-4
„Nowe powstawanie cząstek z izoprenu w warunkach górnej troposfery” Jiali Shen, Douglas M. Russell, Jenna DeVivo, Felix Kunkler, Rima Baalbaki, Bernhard Mentler, Wiebke Scholz, Wenjuan Yu, Lucía Caudillo-Plath, Eva Sommer, Emelda Ahongshangbam, Dina Alfaouri, João Almeida, Antonio Amorim, Lisa J. Beck, Hannah Beckmann, Moritz Berntheusel, Nirvan Bhattacharyya, Manjula R. Canagaratna, Anouck Chassaing, Romulo Cruz-Simbron, Lubna Dada, Jonathan Duplissy, Hamish Gordon, Manuel Granzin, Lena Große Schute, Martin Heinritzi, Siddharth Iyer, Hannah Klebach, Timm Krüger, Andreas Kürten, Markus Lampimäki, Lu Liu, Brandon Lopez, Monica Martinez, Aleksandra Morawiec, Antti Onnela, Maija Peltola, Pedro Rato, Mago Reza, Sarah Richter, Birte Rörup, Milin Kaniyodical Sebastian, Mario Simon, Mihnea Surdu, Kalju Tamme, Roseline C Thakur, António Tomé, Yandong Tong, Jens Top, Nsikanabasi Silas Umo, Gabriela Unfer, Lejish Vettikkat, Jakob Weissbacher, Christos Xenofontos, Boxing Yang, Marcel Zauner-Wieczorek, Jiangyi Zhang, Zhensen Zheng, Urs Baltensperger, Theodoros Christoudias, Richard C. Flagan, Imad El Haddad, Heikki Junninen, Ottmar Möhler , Ilona Riipinen, Urs Rohner, Siegfried Schobesberger, Rainer Volkamer, Paul M. Winkler, Armin Hansel, Katrianne Lehtipalo, Neil M. Donahue, Jos Lelieveld, Hartwig Harder, Markku Kulmala, Doug R. Worsnop, Jasper Kirkby, Joachim Curtius i Xu-Cheng On, 4 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08196-0
