Byforurening øger op til 400% dannelse af aerosoler over Amazonas regnskov

En undersøgelse foretaget af et internationalt forskerteam, herunder brasilianske forskere, viser, at byforurening fra Manaus, hovedstaden i Amazonas -staten i Brasilien, øger dannelsen af ​​aerosoler via Amazonas regnskov langt mere end forventet.

Denne kraftige stigning i aerosoler produceret af skoven har en betydelig indvirkning på centrale drivkræfter for globale klimaændringer, såsom radioaktiv balance, produktion af skyer og regn, og hastigheden af ​​plantefotosyntese. Hvor byforurening ikke påvirker skoven, organiske aerosoler produceres af jord i regionen, men i langt mindre mængder, ifølge undersøgelsen.

Lignende forskning vedrørende boreale skove, som blev brugt som grundlag for global klimamodellering, har vist en maksimal stigning i niveauet af sekundære organiske aerosoler på 60 procent på grund af forurening fra nærliggende byer.

"For første gang, vi var i stand til at modellere og forudsige aerosolniveauer i Amazonas. Klimamodeller baseret på den nordlige halvkugle vides ikke at gælde for Amazonas regnskov. Vi indså, at de tal, der stammer fra andre undersøgelser, ikke tilføjede. Resultaterne af denne nye undersøgelse vil derfor gøre meteorologiske modeller mere præcise og forfine regionale såvel som globale klimamodeller, "sagde offentliggjort i Naturkommunikation , byforurening resulterer i en gennemsnitlig stigning på 200 procent i dannelsen af ​​sekundære organiske aerosoler, med pigge på op til 400 procent. FAPESP støttede undersøgelsen som en del af Green Ocean Amazon Experiment og et tematisk projekt knyttet til forskningsprogrammet om globale klimaændringer.

Paulo Artaxo, fuld professor ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) og en af ​​forfatterne til artiklen, siger, at det næste trin er at inkludere tropisk aerosolkemi i globale klimamodeller, såsom dem, der bruges af FN's mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC), for eksempel, så de mere præcist forudsiger hydrologiske cyklusser i Amazonas og registrerer ændringer i nedbørsmønstre i hele Jordens tropiske område.

Lille ændring, stor indflydelse

En aerosol er en suspension af fine faste partikler eller flydende dråber i luften. Primære aerosoler produceres naturligt af skove, omfattende støv, pollen, aske og kulstofpartikler fra naturbrande, for eksempel. Sekundære aerosoler dannes i atmosfæren ved de kemiske reaktioner af primære aerosoler og gasformige forstadier eller flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der udsendes af skove og menneskelige aktiviteter, såsom afbrænding af fossile brændstoffer.

Stigningen på op til 400 procent i sekundære organiske aerosoler på grund af Manaus -forureningsrøret har en betydelig indvirkning på miljøet. Disse aerosoler spiller en stor rolle i solstrålingens absorption af atmosfæren for at danne regnskyer, blandt andet.

Manaus plume indeholder høje niveauer af ozon (O3), nitrogenoxid, svovldioxid (SO2) og hydroxylradikaler (OH). "Når niveauer af svovl og nitrogenforbindelser fra byforurening ophobes i atmosfæren, biogene dampe i skoven oxideres meget hurtigere, dannelse af mange nye aerosoler - langt mere end det ville være tilfældet, hvis processen var rent naturlig, sagde Henrique Barbosa, også professor ved IF-USP og medforfatter af artiklen.

I dette studie, den internationale forskningsgruppe analyserede konsekvenserne af disse ændringer observationsmæssigt og eksperimentelt ved hjælp af matematiske modeller. De udførte også computersimuleringer om dannelsen af ​​denne store mængde aerosoler, identificere de processer, der er forbundet med deres oprindelse og de kemiske mekanismer, der mangler i de anvendte modeller.

"Amazon -regionen er for det meste ret uberørt og fri for forurening. En lille stigning i nitrogenforbindelser, for eksempel, udløser en enorm stigning i skovens aerosolniveauer, "Sagde Barbosa." Forstyrrelsen forårsaget af menneskeskabte emissioner er meget voldsom og påvirker klimaet i regionen, det hydrologiske system og det globale klima. "

Den største indflydelse af denne ændring er på skydannelse i Amazonas. "Vi så, hvordan høje niveauer af ultrafine aerosoler i skyerne ændrer hastigheden på den stigende luft, gør skyerne mere kraftige med mere nedbørsmæssigt vand, " han tilføjede.

Fotosyntese

Mængden af ​​aerosoler påvirker også stærkt fotosyntesen via skoven, som afhænger af solstråling for at fastsætte kulstofniveauer. "Vi observerede det til en vis grad, stigningen i niveauet af sekundære aerosoler gør fotosyntesen mere effektiv. Derefter, reaktionerne finder sted langsommere, "Sagde Barbosa.

Han forklarede, at dette sker på grund af samspillet mellem aerosoler og solstråling. Aerosolerne cirkulerer frit i luften og ændrer mængden af ​​både direkte (sollys, der skaber skygge) og diffust stråling, som skoven modtager.

Spredt stråling i skoven trænger dybere ind i vegetationen, fra baldakinen og ned til de laveste blade, så planter kan bruge det til fotosyntese. Direkte stråling når kun de højeste blade, og derfra og ned, det skaber skygge.

"Når aerosolniveauerne i atmosfæren stiger, fotosyntesen stiger, men hvis disse niveauer bliver overdrevne, de hindrer fotosyntesen. Ultimativt, det gør ingen forskel, hvis diffus stråling stiger, da aerosolerne blokerer sollyset, og planterne er ude af stand til at bruge meget kulstof, "Sagde Barbosa.

Isopren

Ifølge forskere, undersøgelsen viser, at tropiske skove er betydeligt mere dynamiske, end man oprindeligt troede. "Stigningen i aerosoler forårsaget af forurening er langt større i tropiske skove [400 procent] end i boreale skove [60 procent]. Dette skyldes forskellige emissions- og oxidationsmekanismer, samt tilstedeværelsen af ​​isopren kun i tropiske skove, "Sagde Artaxo.

Isopren er en type VOC, der naturligt udsendes af vegetation i tropiske skove som en del af metabolismen af ​​vegetation. Isopren udsendes i store mængder af Amazonas regnskov og har en kort halveringstid i atmosfæren, hvor det omdannes til aerosolpartikler. "Omdannelsen af ​​isopren til partikler accelereres kraftigt af tilstedeværelsen af ​​forurening fra Manaus, især nitrogenoxidemissioner, "Sagde Artaxo.

I boreale skove, der er ingen isoprenemissioner, selvom disse skove udsender lave niveauer af terpen (en anden VOC). Imidlertid, atmosfærens kemi i denne gas er helt anderledes end isopren.

"Dette gør tropiske skovemissioner til nøglen til partikelproduktion og ozondannelse, med en kemi, der var ukendt før GOAmazon -eksperimentet, "Artaxo sagde." Nu hvor vi kender de kemiske mekanismer, vi kan inkludere dem i globale klimamodeller for at fremme vores forståelse af den rolle, tropiske skove spiller i planetens klima. "

Han tilføjede, at stigningen i sekundære organiske aerosoler ikke kun er forbundet med byforurening, såsom køretøjsemissioner. Dette kan også skyldes andre aktiviteter, der producerer nitrogenoxid, såsom skovbrande og brug af generatorer i små byer i Amazonas -regionen.

"Vi opdagede, at nitrogenoxid er katalysatoren for sekundær organisk aerosoldannelse. Hvis denne forbindelse er til stede i forurening, uanset årsag eller oprindelse, produktionen af ​​partikler vil intensivere, "Sagde Artaxo.

Mere nøjagtighed

De fleste klimamodeller er i øjeblikket baseret på data og processer, der er typiske for den nordlige halvkugle. I tilfælde af sekundære organiske aerosoler og deres virkninger, modellerne afspejler ikke nøjagtigt forholdene i tropiske skove, såsom Amazonas.

For at producere en ny model inklusive data til Amazonas, forskerne brugte målinger taget af fly ejet af det amerikanske energiministerium (DoE), data indhentet på overfladen af ​​et antal prøveudtagningsstationer, og sofistikeret computersoftware, der simulerede atmosfærisk kemi og meteorologi i regional skala for at opdage sammenhænge mellem vejr og kemiske processer i atmosfæren over denne skov.

Denne tilgang gjorde det muligt for forskerne at bruge dataene om de involverede kemiske reaktioner til at kalibrere WRF-Chem-modellen, en eksisterende model, der kobler atmosfærisk dynamik og kemi, så de kunne simulere spredningen af ​​Manaus -forureningsrøret og yderligere aerosolproduktion på grund af samspillet mellem denne forureningsepisode og naturlige (biogene) emissioner fra skoven.

Det næste trin vil være at integrere disse processer i globale klimamodeller for at forbedre langdistancevejrprognoser og fremskrivninger af nedbør og partikeldannelse, samtidig med at forskernes forståelse af tropiske skovers rolle i klimaændringerne forbedres.