Jordens atmosfære mere kemisk reaktiv i kolde klimaer

Usynligt i luften omkring os er små molekyler, der driver den kemiske cocktail af vores atmosfære. Som planter, dyr, vulkaner, skovbrande og menneskelige aktiviteter spyr partikler ud i atmosfæren, nogle af disse molekyler fungerer som oprydningsmandskab, der fjerner denne forurening.

De vigtigste molekyler, der er ansvarlige for at nedbryde alle disse emissioner, kaldes oxidanter. De oxygenholdige molekyler, hovedsageligt ozon- og brintbaserede rengøringsmidler, reagere med forurenende stoffer og reaktive drivhusgasser, såsom metan.

En undersøgelse fra University of Washington offentliggjort 18. maj i tidsskriftet Natur konstaterer, at under store klimaudsving, oxidanter skifter i en anden retning, end forskerne havde forventet, hvilket betyder, at de skal genoverveje, hvad der styrer disse kemikalier i vores luft.

"Oxidanter er meget reaktive, og de reagerer med forurenende stoffer og drivhusgasser og renser atmosfæren, " sagde den tilsvarende forfatter Becky Alexander, en UW lektor i atmosfæriske videnskaber. "Vi ønskede at se, hvordan atmosfærens evne til at rense sig selv kan ændre sig med klimaet."

Første forfatter Lei Geng, en tidligere UW postdoc forsker nu ved Grenoble Alpes University, analyserede skiver fra en grønlandsk iskerne i UW's isotopkemi-laboratorium. De 100, 000-års kerne begynder i en relativt varm periode, dækker en fuld istid og slutter i dag, med flere kortere temperaturudsving undervejs. Forskerne brugte en ny metode til at få en første læsning af ændringer i atmosfæriske oxidanter - flygtige kemikalier, der ikke er direkte bevaret i iskerner.

Forskerne tilførte smeltevand til bakterier, der drak væsken og derefter udskilte en gas, der kan måles med maskiner, der sporer isotopsammensætningen af ​​gas. Når vi ser på vægten af ​​oxygenatomer fra smeltevandet, så holdet se, hvor mange der var kommet fra de to vigtigste oxidanter:ozon, som varierer i atmosfæren over tid, versus vaskemiddelmolekylerne, som forventes at forblive nogenlunde konstant.

"Vi fandt ud af, at tegnet på ændringen var det stik modsatte af, hvad vi forventede, " sagde Alexander. "Og det indikerer, at det, vi troede var de vigtigste drivkræfter for overfloden af ​​oxidanter, faktisk ikke var de vigtigste kontroller, og vi var nødt til at finde på nogle andre mekanismer."

Atmosfæriske forskere havde troet, at ozonniveauet stiger, når temperaturen stiger. Ozon produceres med vanddamp og emissioner fra planter, jordbakterier og andre levende ting. Alle disse stiger, når temperaturen bliver varmere. Så forfatterne forventede at finde mere ozon i de varmere klimaer.

I stedet, andelen af ​​ozon steg faktisk i koldere klimaer. Da temperaturændringerne var små, ozon steg med temperaturen, men for store temperaturudsving vendte forholdet, med mere ozon i de kolde perioder.

En hypotese foreslået af forfatterne er en ændring i cirkulationen mellem troposfæren, luften over vores hoveder, og stratosfæren, det højereliggende lag tæt på, hvor de fleste fly flyver. Luft cirkulerer mellem disse to, bevæger sig op i troperne og falder tilbage ved polerne. Stratosfæren indeholder mere ozon, der i vid udstrækning dannes i de højder i troperne, så hvis cirkulationen bliver hurtigere, så ville mere ozon fra stratosfæren blive båret ned til overfladen.

"Der er beviser - stærke beviser - der viser, at Brewer-Dobson cirkulationen blev stærkere under det sidste istidsmaksimum, " sagde medforfatter Qiang Fu, en UW professor i atmosfæriske videnskaber. "Det betyder, at der var mindre stratosfærisk ozon i troperne, men mere på de høje breddegrader, og derefter mere ozon, der går ned fra stratosfæren til troposfæren."

Det er en forklaring på, hvorfor ozon ville gå op ved overfladen under kolde klimaer. Dette skift i cirkulationen ville også få mere ultraviolet stråling til at ramme troperne, og UV og vanddamp er de vigtigste drivkræfter for dannelsen af ​​den anden hovedgruppe af oxidanter, vaskemidlerne. Istidens troper kan så blive en rig kilde til rengøringsmidler, som nedbryder forurening og drivhusgasser som metan.

"Traditionelt iskerne metan-registreringer er udelukkende blevet fortolket som en ændring i kilden, "Alexander sagde. "Men landoverflademodeller har ikke været i stand til at simulere den fulde skala af ændringen af ​​metan set i iskerner. Det tyder på, at metans levetid måske har ændret sig, og den eneste måde at gøre det på er at ændre mængden af ​​vaskemiddel i atmosfæren."

En anden mulig forklaring på den forvirrende ozontrend, forskere sagde, er en mindre forstået gruppe af oxidanter:halogener. Disse molekyler er dårligt undersøgt, og det er ikke helt kendt, hvordan de påvirker klimaet, men forskere har mistanke om, at de kan reagere for at påvirke niveauet af andre oxidanter.

"Den største kilde til halogener er fra havsalt, og vi ved fra iskerner, at havsalt er meget højere i koldere klimaer, " sagde Alexander. "Havisen ændrer sig også med klimaet, selvfølgelig."

Forfatterne formoder, at begge mekanismer - cirkulationen på højt niveau og kemiske reaktioner med halogener - kan påvirke oxidanter under store udsving i jordens temperatur.

"De ændringer, vi målte i ozonniveauer, ser ud til at være ret store, hvis man kun overvejer én mekanisme ad gangen, tyder på, at de måske handler samtidigt, og ikke nødvendigvis uafhængigt af hinanden, " sagde Alexander.