Fra blade til skyer – afslører hvordan træers emissioner former luften omkring os

Mens han stirrede ned på Amazonas fra oven, skinnende blade dannede bølger af løv. Vinden bølgede igennem dem, skabe hvirvler og pøler af grønt. Fra dette synspunkt, nogle mennesker har måske lige set træer. Men fra sin høje siddeplads, Kolby Jardine, en forsker ved Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory, så mere - skovens komplekse økologiske kredsløb. Startende fra emissioner fra bladene til skyerne højt oppe, hver komponent påvirker alle de andre.

Jardine var en del af DOE Office of Sciences "Green Ocean Amazon" eller GoAmazon-projekt, som fokuserede på bedre forståelse af Amazonasbassinets vandkredsløb. Ved at tage data på et svajende, smal platform højere end en 10-etagers bygning, Jardine håbede at kigge ind i en del af dette system - hvordan tropiske blade producerer emissioner.

"Du føler virkelig, hvordan det er at være et blad i den øvre baldakin, " han sagde.

Amazonas er verdens største og mest mangfoldige tropiske regnskov, strækker sig over ni lande. Mens menneskeskabte emissioner forurener luften i den tørre sæson, luften over Amazonas i den våde årstid er et af de reneste steder på jorden.

Den kontrast gør det til det perfekte sted for Jardine og andre forskere at studere, hvordan træer afgiver emissioner, og hvilke effekter disse emissioner har på klimaet.

Træer og andre planter producerer hundreder til tusindvis af flygtige organiske forbindelser (VOC'er). Disse kulstofbaserede kemikalier fordamper let fra en væske eller et fast stof til luft ved meget lavere temperaturer end de fleste kemikalier. For eksempel, din næse mærker VOC'er, når du lugter fyrretræer. Andre VOC'er er menneskeskabte, såsom dem, der producerer "nybillugten". Mens menneskeskabte VOC'er dominerer i byområder, VOC'er produceret af træer spiller en stor rolle i Amazonas.

Inden for få minutter til timer efter, at træerne har sluppet dem, VOC'er reagerer med ozon og andre kemikalier i atmosfæren. De grupperer sig for at blive større forbindelser eller reagerer med menneskeskabte emissioner fra dieselkøretøjer eller kraftværker, der brænder fossilt brændstof. I begge tilfælde de danner sekundære organiske aerosoler (SOA'er), faste eller flydende partikler suspenderet i gas.

Fra at danne smog til at påvirke skydannelsen, SOA'er driver en række atmosfæriske og klimatiske processer. Samspillet mellem aerosoler, VOC'er, og andre biologiske emissioner skaber en af ​​de største usikkerheder i klimamodeller. Department of Energy's Office of Science støtter forskning i VOC'er fra træer og de SOA'er, de danner.

Den store indvirkning af små partikler

For forbindelser, der ofte varer mindre end to timer, før de reagerer med noget andet, VOC'er har en stor indflydelse. Det gælder især i troperne, hvor 30 til 50 procent af træerne udleder VOC. Via SOA'erne forvandler de sig til, VOC'er påvirker vejr og klima på to vigtige måder.

Først, SOA'er udgør en stor del af de små partikler i atmosfæren. De påvirker, hvor meget sollys atmosfæren absorberer eller spreder, og dermed mængden af ​​lys og varme, der når jordens overflade.

Sekund, vanddamp kondenserer på SOA'er. Sommetider, partiklen opsamler nok vand til at blive en skydråbe. Hvis det fortsætter med at vokse, det kan blive en regndråbe, der falder til jorden. GoAmazon-projektet tacklede udfordringen med at indsamle data om VOC'er, Ligesom, og deres indvirkning på vejret. GoAmazon-teamet tog data fra januar 2014 til december 2015 ved hjælp af Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, en Office of Science brugerfacilitet.

Hvad sker der, når et træ trækker vejret?

At kortlægge biologiske VOC'ers rolle i regnskoven, videnskabsmænd skal forstå, hvordan og hvorfor træer producerer dem. Det er lettere sagt end gjort.

Antallet af faktorer, der bestemmer VOC-produktionen, er svimlende. Sæsonen, træarter, bladalderen, kuldioxidkoncentration i luften omkring træet, lys, og temperatur er blot nogle få. Ud over, planter frigiver ikke kun VOC'er; nogle tager endda visse VOC'er ind.

En anden udfordring er simpelthen at tage data i og over skovkronen. En af forskernes vigtigste måder at tage luftprøver på er at flyve tilpassede fly proppet med komplekse instrumenter lige over baldakinen.

I modsætning til modeller, "De flybaserede målinger giver [data om] den virkelige atmosfære, " sagde Jian Wang, en videnskabsmand ved DOE's Brookhaven National Laboratory.

For at forstå niveauerne af isopren (en større VOC) lige over baldakinen, GoAmazon-teamet kørte otte forskellige forskningsflyvninger i både den våde og den tørre sæson. Deres data viste, at isopren-emissionsrater var tre gange højere end satellitdata havde afsløret og 35 procent højere end modeller forudsagt. I særdeleshed, de fandt ud af, at hverken modeller eller satellitter tog højde for forskellige højder eller mangfoldigheden af ​​plantearter i Amazonas.

"Vi skal vide, hvem spillerne er, og hvad deres kilder er, sagde Jardine.

Jardine og hans team havde en komplementær tilgang - de sad i dagevis på toppen af ​​et smalt tårn, der rejste sig ud af junglen. Efter en vandretur gennem skoven før solopgang, de tog prøver af gasser fra forskellige niveauer af tårnet hvert 10. minut. De analyserede derefter indholdet ved hjælp af et specialiseret instrument, der bruger kemikaliers masser til at identificere dem.

Sporing af forskellene, de fandt ud af, at træer producerede langt mere isopren om dagen end om natten og i den tørre sæson end den våde sæson. Jo mere sollys og højere temperaturer, jo flere isoprenplanter udsendes. Holdet fandt også ud af, at jo mere stress bladene var under, jo mere isopren producerede de.

Begge undersøgelser illustrerede, hvor komplekse påvirkningerne af træernes VOC-produktion er. At tage disse påvirkninger i betragtning er afgørende for at forbedre de data, der indgår i klimamodeller.

Tårnundersøgelsen fandt også, at under særligt stressende omstændigheder, VOC'er kunne reagere med ilt inde i planterne selv. Tidligere undersøgelser Jardine deltog i med både loblolly fyrrenåle og mangoblade viser, at dette fænomen strækker sig ud over Amazonas. Det faktum, at planter selv kan producere sekundære produkter, er en anden faktor, som modeller skal medtage. Ud over, det peger på den potentielle betydning af VOC'er i selve planter. De kan faktisk hjælpe planter med at håndtere miljømæssige stressfaktorer.

Hvad der skal til for at blive en sekundær organisk aerosol

Når træer frigiver emissioner til luften, endnu flere interaktioner opstår. Hvilke VOC'er danner hvilke SOA'er afhænger af niveauet af VOC'erne, de gasser, VOC'erne reagerer med, og hvor meget de blandes sammen. VOC'er kan ofte reagere med ilt og andre kemikalier flere forskellige gange, når de bevæger sig gennem atmosfæren, hver gang producere forskellige produkter. "Det er vigtigt at vide, hvad der vil ske med VOC'erne og SOA'erne, når de transporteres [væk] fra kilder, " sagde Alla Zelenyuk-Imre, en forsker ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Disse transformationer påvirker både SOA'ernes karakteristika, og hvordan de påvirker skydannelsen.

For at undersøge disse reaktioner, forskere bruger både felt- og laboratorieundersøgelser. Feltstudier, såsom GoAmazon, tilbyde data fra den virkelige verden. Men videnskabsmænd kan ofte ikke fuldt ud analysere disse kemiske reaktioner i felten.

"De grundlæggende laboratorieundersøgelser kan hjælpe med at forstå og fortolke de mere komplekse observationsdata, " sagde Nga Lee "Sally" Ng, en forsker ved Georgia Tech. "Både laboratoriet og feltstudierne supplerer virkelig hinanden."

En undersøgelse fra 2015 ledet af Ng udvidede videnskabsmænds forståelse af isoprens rolle i SOA-dannelse. Tidligere, de fleste videnskabsmænd troede, at niveauerne af nitrogenoxider - ofte produceret af biler, lastbiler, og fossilt brændstof-brændende kraftværker-bestemte SOA-niveauer. Hendes undersøgelse viste, at isopren og de kemikalier, der dannes som et resultat af det, var endnu vigtigere end nitrogenoxidniveauerne alene. Det var de komplekse vekselvirkninger mellem VOC'er (inklusive isopren) og nitrogenoxiderne, der havde den største effekt af alle på SOA's egenskaber.

Siden da, andre laboratorieundersøgelser har undersøgt, hvordan VOC'er interagerer med en række forskellige forurenende stoffer fra forbrænding af fossile brændstoffer, herunder sulfat og ammoniak produceret af landbruget. I begge undersøgelser de menneskeskabte emissioner dækkede de biologiske VOC'er. Det ændrede fundamentalt både hvordan VOC'erne blev til SOA'er og SOA'ernes egenskaber i sig selv.

Med denne indsigt fra laboratoriet, GoAmazon-projektet undersøgte, hvordan disse interaktioner udspillede sig i den virkelige verden. I særdeleshed, forskerholdet gravede dybt i forholdet mellem planters emissioner og menneskeskabt forurening.

For at gå hvor dataene var, de fløj et fly lige gennem en flydende søjle af forurening fra byen Manaus, som ligger dybt i Amazonas. Forskerne fandt ud af, at VOC'er reagerede med ilt flere gange hurtigere og mere intenst inde i det forurenede område end uden for det. Ud over, forureningen ændrede fundamentalt processen med at VOC'er blev til SOA'er. Forskere målte en række kemiske forbindelser inde i fanen, som var fraværende uden for den.

På jorden, forskere prøvede luft i en stor lysning omgivet af regnskov. Ved at udsætte den omgivende luft for høje koncentrationer af de gasser, der reagerer med VOC'er i en beholder, de simulerede resultaterne af dages eller måneders SOA-produktion. De fandt ud af, at der var fire til fem gange flere SOA'er i den tørre sæson end i den våde sæson. Overraskende nok, de fandt også, at der var betydeligt flere SOA'er, end VOC'er alene kunne producere. Dette resultat tyder på, at VOC'er ikke er de eneste gasser, der spiller en stor rolle i SOA-dannelsen - endnu et hul i vores forståelse.

Op i luften

Tingene tager virkelig fart, når SOA'er driver op i atmosfæren.

"Aerosoler fungerer som et frø for at danne skyer, " sagde Ng. Hvis nok vanddamp kondenserer på dem, de kan til sidst blive til regndråber.

Men der skal ske meget, før det regner. SOA's størrelse, hvad de er lavet af, hvordan de bevæger sig, og hvor længe de har været i luften, bestemmer alt sammen, hvor godt de absorberer eller frigiver vand.

Et af GoAmazon-undersøgelserne så på, hvordan kulstofbaserede partikler (for det meste naturlige) og ikke-kulstofbaserede partikler (for det meste menneskeskabte) absorberede og frigav vand forskelligt. Tidligere laboratorieundersøgelser antydede, at den måde, partikler opsamler vanddamp på, afhænger mest af koncentrationerne af forurenende stoffer, der interagerer med SOA'er. Men i den virkelige verden, det afhang meget mere af koncentrationerne af SOA og andre aerosoler selv.

En anden GoAmazon-undersøgelse leverede resultater, der modsiger gængse opfattelser. Forskere troede ikke, at de mindste aerosoler kunne påvirke skydannelsen. De var simpelthen ikke store nok. Men undersøgelsen viste, at disse små partikler faktisk kan gøre storme i Amazonas mere intense, skyer større, og der er større sandsynlighed for, at regn falder.

"Denne undersøgelse åbner en ny dør til at forstå, hvordan aerosoler påvirker skyer og vejr i de varme og fugtige områder, " sagde Jiwen Fan, en anden PNNL-forsker.

Mens undersøgelsen ikke afgjorde, om disse små aerosoler udviklede sig fra VOC'er, en opfølgende undersøgelse ser på dette problem. Udvidelse af videnskabsmænds viden om SOA's virkninger på skydannelse hjælper videnskabsmænd med at spore, hvordan vejr- og klimasystemer ændrer sig over tid.

Amazonas sammenflettede økologiske forhold, lige fra træerne til skyerne, fortsætter med at overraske forskerne.

Som Jardine sagde, "At se på disse systemers grænseflader er meget udfordrende, men det er også der, de fleste muligheder er."