Laut einer aktuellen Studie von Forschern des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) treiben von Pflanzenblättern stammende Gase ein bisher unbekanntes atmosphärisches Phänomen über dem Amazonas-Regenwald an.
Die Ergebnisse haben wichtige Anwendungen für die Atmosphärenforschung und die Modellierung des Klimawandels.
„Der tropische Amazonas-Regenwald ist die Lunge der Erde, und diese Studie stellt eine Verbindung zwischen den natürlichen Prozessen im Wald, den Aerosolen, den Wolken und dem Strahlungshaushalt der Erde her, die bisher nicht erkannt wurde“, sagte Manish Shrivastava, Geowissenschaftler am PNNL und leitender Forscher der Studie.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in ACS Earth and Space Chemistry veröffentlicht.
Füllen der fehlenden Datenlücke
Shrivastava und sein Team untersuchten feine Partikel in der oberen Atmosphäre, als sie eine große Diskrepanz zwischen ihren Messungen und dem entdeckten, was auf der Grundlage des aktuellen Verständnisses von Atmosphärenmodellen zu erwarten gewesen wäre. Bei weiteren Untersuchungen stellte das Team fest, dass in den aktuellen Atmosphärenmodellen wichtige Wechselwirkungen zwischen Wald und Atmosphäre fehlen, die die Menge der Feinpartikel in der oberen Atmosphäre bestimmen.
Die Forscher entdeckten einen bisher unerkannten Prozess, an dem halbflüchtige Gase beteiligt sind, die von Pflanzen im Amazonas-Regenwald emittiert und von Wolken in die obere Atmosphäre transportiert werden. Bei diesen Gasen handelt es sich um natürliche chemische Verbindungen auf Kohlenstoffbasis, die in der oberen Atmosphäre leicht zu feinen Partikeln kondensieren können. Dieser Prozess, so Shrivastava, ist sehr effizient bei der Erzeugung feiner Partikel in großen Höhen und bei kalten Temperaturen. Diese feinen Partikel kühlen den Planeten ab, indem sie die Menge an Sonnenlicht, die die Erde erreicht, verringern, und sie bilden auch Wolken, die den Niederschlag und den Wasserkreislauf beeinflussen.
„Ohne ein vollständiges Verständnis der halbflüchtigen Quelle der organischen Gase können wir das Vorhandensein und die Rolle der wichtigsten Partikelkomponenten in großen Höhen nicht erklären“, so Shrivastava.
Entscheidende Entdeckung für atmosphärische Prozesse
Shrivastavas Forschungsprojekt, das durch einen Early Career Research Award des Department of Energy (DOE) finanziert wurde, befasste sich mit der Untersuchung der Bildung von Aerosolpartikeln, die als sekundäre organische Isopren-Epoxydiol-Aerosole (IEPOX-SOAs) bekannt sind und von Flugzeugen in verschiedenen Höhen gemessen werden.
IEPOX-SOAs sind wesentliche Bausteine für feine Partikel, die in allen Höhen der Troposphäre zu finden sind – dem Bereich der Atmosphäre, der sich von der Erdoberfläche bis in etwa 20 Kilometer Höhe über tropischen Regionen erstreckt. Atmosphärenmodelle berücksichtigten diese Partikel und ihren Einfluss auf Wolken hoch über der Erde jedoch nicht ausreichend.
„Da die Modelle die beobachteten IEPOX-SOA-Belastungen in 10 bis 14 Kilometern Höhe im Amazonasgebiet nicht vorhersagen konnten, kam es meiner Meinung nach entweder zu Modellfehlern oder zu einem mangelnden Verständnis der Messungen“, sagte Shrivastava. „Ich konnte es an der Oberfläche erklären, aber nicht in größeren Höhen“.
Shrivastava und sein Team untersuchten die Daten, die von der Grumman Gulfstream-159 (G-1) gesammelt wurden, einem fliegenden Labor des DOE, das von der Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Aerial Facility betrieben wird und bis in 5 Kilometer Höhe geflogen wurde. Das Team verglich auch Daten, die von einem deutschen Flugzeug, dem High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO), gesammelt wurden, das in Höhen von bis zu 14 Kilometern geflogen wird. Auf der Grundlage der modellierten Projektionen hätte die IEPOX-SOA-Belastung mindestens eine Größenordnung niedriger sein müssen als das, was gemessen wurde, sagte Shrivastava. Weder er noch seine Kollegen außerhalb des PNNL konnten die Diskrepanz zwischen den Messungen und den Prognosen der Modelle erklären.
Vor der Forschung des Teams glaubte man, dass IEPOX-SOAs in erster Linie durch mehrphasige atmosphärische chemische Prozesse gebildet werden, die Reaktionen von Isopren in der Gasphase und Partikeln mit flüssigem Wasser beinhalten. Die für die Bildung von IEPOX-SOAs erforderlichen atmosphärischen chemischen Prozesse finden jedoch in der oberen Troposphäre nicht statt, da dort extrem kalte Temperaturen und trockene Bedingungen herrschen. In dieser Höhe sind die Partikel und Wolken gefroren und enthalten kein flüssiges Wasser. Daher konnten die Forscher die in 10 bis 14 Kilometern Höhe beobachtete Bildung mit den verfügbaren Modellen nicht erklären.
Um das Geheimnis zu lüften, kombinierten die Forscher spezielle Flugzeugmessungen in großer Höhe mit detaillierten regionalen Modellsimulationen, die mit Hilfe von Supercomputing-Ressourcen am Environmental Molecular Sciences Laboratory des PNNL durchgeführt wurden. Ihre Studie enthüllte die unentdeckte Komponente der atmosphärischen Prozesse. Ein halbflüchtiges Gas, bekannt als 2-Methyltetrol, wird durch Wolkenaufwinde in die kalte obere Troposphäre transportiert. Das Gas kondensiert dann und bildet Partikel, die vom Flugzeug als IEPOX-SOAs nachgewiesen werden.
„Dies ist sicherlich eine wichtige Entdeckung, denn sie hilft uns zu verstehen, wie diese feinen Partikel entstehen, und wirft ein neues Licht darauf, wie natürliche Prozesse im Wald den Planeten kühlen und zu Wolken und Niederschlägen beitragen“, so Shrivastava. „Zusammen mit dem sich verändernden globalen Klima und der raschen Abholzung in vielen Teilen des Amazonas stört der Mensch die wichtigsten natürlichen Prozesse, die für die Bildung feiner Partikel in der Atmosphäre und die Beeinflussung der globalen Erwärmung verantwortlich sind.“
Öffnet Türen für weitere Atmosphärenforschung
Laut Shrivastava kratzt die Entdeckung des Teams nur an der Oberfläche, wenn es darum geht, mehr über diesen neu entdeckten atmosphärischen Prozess und seine Auswirkungen auf die Bildung von Feinstaub in der Atmosphäre zu erfahren. Er sagte, dass der neu entdeckte pflanzliche Prozess eine breite Palette von atmosphärischen Partikelphänomenen über anderen bewaldeten Gebieten auf der ganzen Welt erklären könnte.
„Im Großen und Ganzen ist dies erst der Anfang dessen, was wir wissen, und wird neue Grenzen der Forschung im Bereich der Wechselwirkungen zwischen Land, Atmosphäre, Aerosolen und Wolken eröffnen“, sagte er. „Zu verstehen, wie der Wald diese Partikel produziert, könnte uns helfen zu verstehen, wie sich die Abholzung der Wälder und der Klimawandel auf die globale Erwärmung und den Wasserkreislauf auswirken werden.
Die Forschung wurde durch Shrivastavas DOE Early Career Award und DOE’s Atmospheric System Research, beide vom Office of Science Biological and Environmental Research Programm, unterstützt. Unterstützung für die Datenerfassung an Bord des G-1-Flugzeugs wurde von ARM, einer Einrichtung des DOE Office of Science, bereitgestellt. Die Rechenressourcen für die Simulationen wurden von EMSL bereitgestellt, ebenfalls eine Einrichtung des DOE Office of Science.
Datum: April 6, 2022
Quelle: DOE/Pacific Northwest National Laboratory
Journal Reference:
- Manish Shrivastava, Quazi Z. Rasool, Bin Zhao, Mega Octaviani, Rahul A. Zaveri, Alla Zelenyuk, Brian Gaudet, Ying Liu, John E. Shilling, Johannes Schneider, Christiane Schulz, Martin Zöger, Scot T. Martin, Jianhuai Ye, Alex Guenther, Rodrigo F. Souza, Manfred Wendisch, Ulrich Pöschl. Tight Coupling of Surface and In-Plant Biochemistry and Convection Governs Key Fine Particulate Components over the Amazon Rainforest. ACS Earth and Space Chemistry, 2022; 6 (2): 380 DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00356