Forskere tapper usædvanlig – og værdifuld – uberørt luft for at afsløre forureningens indvirkning

Fem år siden, i marts 2014, forskere tilbragte tre timer pakket ombord på et dampende Gulfstream-1 forskningsfly, mens det zig-zaggede mellem uberørt luft over Amazonas regnskov og forurenet luft i nærheden. Det var som en tur frem (og tilbage) gennem tiden, som videnskabsmænd vævede mellem de to vidt forskellige omgivelser, luftprøver, der er karakteristiske for nutidens industrielle miljø, samt prøver af uforurenet luft, sådan før den industrielle tidsalder.

Et internationalt hold af forskere ledet af Pacific Northwest National Laboratorys Manish Shrivastava har analyseret nogle af dataene og fundet ud af, at menneskeskabt forurening ansporer produktionen af ​​klimaforandrende partikler kendt som sekundære organiske aerosoler meget mere end tidligere antaget. Holdet offentliggjorde sine resultater i Naturkommunikation .

Resultaterne illustrerer, hvordan forurening fra biler, kraftværker og andre kilder kombineres med naturlige emissioner fra træer i Amazonas for at anspore til en markant stigning i små partikler, der kan reflektere eller absorbere sollys, hjælpe med at skabe skyer, ændre nedbørsmønstre, og bestemme, hvordan kulstof flyder mellem jorden og atmosfæren - alt sammen med dramatiske effekter på vores planet.

Resultatet kommer fra en forskningskampagne, kendt som GOAmazon, ledet af Atmospheric Radiation Measurement Research Facility, en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet. Kampagnen fokuserede på regionen nær og omkring Manaus, en brasiliansk by med mere end 2 millioner mennesker, der er omgivet af tropiske skove i flere hundrede kilometer. Forskere omtaler den store skovkrone omkring Manaus som et "grønt hav, " giver kampagnens navn dets første bogstaver.

Regionen byder på et forskningsmiljø, der er svært at finde andre steder på jorden. På den ene side af en udefineret grænse er en lige opstillet tropisk regnskov med krystalklar luft og niveauer på 300 aerosolpartikler pr. kubikcentimeter; på den anden side er luften over Manaus, med partikelkoncentrationer 100 gange højere på grund af menneskelig aktivitet.

"For virkelig at forstå, hvordan forurening har påvirket atmosfæren, vi er nødt til at sammenligne dagens atmosfære med tider før den industrielle tidsalder, " sagde Shrivastava. "Dette er udfordrende; selvfølgelig, vi kan ikke gå tilbage i tiden. Men Amazonas er et af de få steder på jorden, hvor vi kan studere atmosfærisk kemi både fortid og nutid på samme tid."

På den solskinsdag for fem år siden, ARM-flyet bevægede sig fra den ene side af grænsen til den anden, flyver omtrent på længden af ​​en fodboldbane hvert sekund, tage luftprøver fra det uberørte og derefter det forurenede.

"Regionen tilbyder et vidunderligt naturligt laboratorium til at forstå, hvordan menneskeskabte emissioner har en indvirkning på atmosfærisk kemi og klima, " sagde Shrivastava.

Selvom kun en lille smule af vores planet giver den enestående mulighed for denne undersøgelse, resultaterne gælder for atmosfærisk kemi, der finder sted overalt på jorden hvert øjeblik.

Denne kemi ligger bag de forfriskende dufte af en skov eng eller friske blomster. Når disse dufte rammer vores lugtnerve, vi fornemmer faktisk en række gasser, såsom kulstofholdig isopren og terpener, som afgives naturligt af træer og anden vegetation. Gasserne bidrager til ozon og andre former for dis, der påvirker mængden af ​​sollys, der når jorden.

Når disse naturlige kulstofemissioner interagerer i sollys med nitrogenoxid - naturligt udsendt fra jord, men også et almindeligt produkt, der i vid udstrækning udsendes af menneskelig aktivitet - er et resultat dannelsen af ​​små partikler kendt som sekundære organiske aerosoler. Selvom aerosoler er små, meget mindre end bredden af ​​et menneskehår, de er ingen småspillere, når det kommer til jordens klima. De er en vigtig komponent i planetens energi- og kulstofkredsløb, til dels at bestemme skæbnen for planetens enorme kulstofreservoir og hvordan det flyder mellem jorden og atmosfæren.

Shrivastava og kolleger søgte at lære, hvordan menneskeskabte emissioner øger produktionen af ​​disse naturligt forekommende kulstofpartikler – hvor omfattende virkningerne af menneskelig aktivitet er, når det drejer sig om at anspore omdannelsen af ​​gasser, der udstødes fra vegetationen, til disse kraftfulde klimaforandrende partikler.

Holdet integrerede disse data med andre laboratoriemålinger for at udvikle en avanceret computermodel til at simulere kemiske reaktioner, der danner partikler i atmosfæren. Modellen fungerer dobbelt, reproducerer både førindustriel og nutidig kemi. De fleste modeller er stort set blevet skabt ud fra nutidens forhold; Amazon-målingerne giver information om præ-industrielle kemiforhold, der forbedrede modellens forudsigelsesevner.

Holdet fandt ud af, at nitrogenoxid, der udsendes fra menneskelige aktiviteter som trafik og olieraffinaderier, fremmer dannelsen af ​​disse partikler fra naturligt skovkulstof meget mere end tidligere antaget, forårsager en gennemsnitlig stigning på alt fra 60 til 200 procent og endda op til 400 procent i nogle tilfælde. Det er sammenlignet med de 20 procent, der tidligere er anslået af forskere baseret på data fra mere forurenede kontinentale steder.

Holdet viste også, at de fleste af disse sekundære kulstofholdige partikler blev dannet af dette fænomen.

"Forureningens indvirkning på at skabe sekundære organiske aerosoler har været meget svære at drille ud, " siger Shrivastava. "Vores resultater indikerer, at jordens atmosfære på mange kontinentale steder allerede er blevet væsentligt ændret af menneskelige aktiviteter, og der er en meget større og udbredt effekt, end der er blevet værdsat."

I deres papir, Shrivastava og de andre forfattere konkluderer:"Vores resultater giver et klart billede af, hvordan menneskeskabte emissioner sandsynligvis vil have stærkt modificeret biogen SOA [sekundær organisk aerosol] dannelse siden præindustriel tid over Jorden, og antyder, at hurtig urbanisering i de kommende år kan øge biogen SOA-dannelse væsentligt i de uberørte skovområder i Amazonas."

Shrivastava er en af ​​mange videnskabsmænd verden over, der skaber komplekse computermodeller for at forklare atmosfæren og jordsystemet. Han beskriver atmosfæren som "en stor kemisk reaktor, der konstant behandler både naturlige og menneskelige emissioner, og til gengæld påvirker både klimaet og menneskers sundhed."