Пять лет назад исследователи провели три часа на борту прокаченного исследовательского самолета Gulfstream-1, пока он петлял между чистым воздухом над тропическими лесами Амазонки и загрязненным воздухом поблизости. Это было похоже на путешествие назад (и обратно) во времени, поскольку ученые петляли между двумя совершенно разными условиями, захватывая образцы воздуха, характерные для сегодняшней промышленной среды, а также образцы незагрязненного воздуха, как это было до индустриальной эпохи.
Международная группа ученых во главе с Манишем Шриваставой из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США проанализировала некоторые данные и обнаружила, что антропогенное загрязнение стимулирует образование изменяющих климат частиц, известных как вторичные органические аэрозоли. гораздо больше, чем считалось ранее. Команда опубликовала свои результаты в Nature Communications..
Выводы показывают, как загрязнение от автомобилей, электростанций и других источников в сочетании с естественными выбросами от деревьев в Амазонии приводит к заметному увеличению количества мельчайших частиц, которые могут отражать или поглощать солнечный свет, способствовать образованию облаков, изменению характера осадков, и определить, как углерод перемещается между землей и атмосферой - все это имеет драматические последствия для нашей планеты.
Результат исследовательской кампании, известной как GOAmazon, возглавляемой Исследовательским центром по измерению атмосферного излучения, пользовательским учреждением Управления науки Министерства энергетики. Кампания была сосредоточена на регионе вблизи и вокруг Манауса, бразильского города с населением более 2 миллионов человек, окруженного тропическими лесами на сотни миль. Ученые называют обширный лесной полог вокруг Манауса «Зеленым океаном», дав название кампании первыми буквами.
Регион предлагает исследовательскую среду, которую трудно найти где-либо еще на земле. По одну сторону неопределенной границы находится прямой тропический лес с кристально чистым воздухом и уровнем содержания аэрозольных частиц 300 на кубический сантиметр; с другой стороны - воздух над Манаусом, концентрация частиц в котором в 100 раз выше из-за деятельности человека.
«Чтобы действительно понять, как загрязнение повлияло на атмосферу, нам нужно сравнить сегодняшнюю атмосферу с временами до индустриальной эпохи», - сказал Шривастава. «Это сложно; конечно, мы не можем вернуться в прошлое. Но Амазонка - одно из немногих мест на земле, где мы можем одновременно изучать химию атмосферы как в прошлом, так и в настоящем».
В тот солнечный день пять лет назад самолет ARM пролетел от одной стороны границы к другой, каждую секунду пролетая длину футбольного поля, беря пробы воздуха сначала из чистого, а затем из загрязненного воздуха.
«Регион представляет собой прекрасную естественную лабораторию для понимания того, как антропогенные выбросы влияют на химический состав атмосферы и климат», - сказал Шривастава.
Хотя только крошечная полоска нашей планеты предоставляет уникальную возможность для этого исследования, результаты применимы к атмосферной химии, которая происходит повсюду на Земле в любой момент.
Эта химия стоит за освежающими ароматами лесного луга или свежих цветов. Когда эти запахи воздействуют на наш обонятельный нерв, мы на самом деле чувствуем множество газов, таких как углеродсодержащий изопрен и терпены, которые естественным образом выделяются деревьями и другой растительностью. Газы способствуют образованию озона и других форм дымки, которые влияют на количество солнечного света, достигающего земли.
Когда эти естественные выбросы углерода взаимодействуют под солнечным светом с оксидом азота, естественным образом выделяемым из почвы, но также являющимся обычным продуктом деятельности человека, одним из результатов является образование мельчайших частиц, известных как вторичные органические аэрозоли. Хотя аэрозоли крошечные, намного меньше толщины человеческого волоса, они не играют никакой роли, когда речь идет о земном климате. Они являются важным компонентом планетарного энергетического и углеродного циклов, частично определяя судьбу обширного резервуара углерода на планете и то, как он перемещается между землей и атмосферой..
Шривастава и его коллеги стремились узнать, как антропогенные выбросы увеличивают производство этих встречающихся в природе углеродных частиц, а также насколько обширны последствия деятельности человека в стимулировании преобразования газов, выбрасываемых растительностью, в эти мощные частицы, изменяющие климат.
Команда объединила эти данные с другими лабораторными измерениями, чтобы разработать продвинутую компьютерную модель для моделирования химических реакций, в результате которых образуются частицы в атмосфере. Модель выполняет двойную функцию, воспроизводя как доиндустриальную, так и современную химию. Большинство моделей в значительной степени были созданы на основе современных условий; измерения Amazon предоставляют информацию о доиндустриальных химических условиях, которые улучшили прогностические способности модели.
Команда обнаружила, что оксид азота, выделяемый в результате деятельности человека, такой как транспорт и нефтеперерабатывающие заводы, способствует созданию этих частиц из естественного лесного углерода гораздо больше, чем считалось ранее, вызывая среднее увеличение где-то от 60 до 200 процентов и даже больше. до 400 процентов в некоторых случаях. Это по сравнению с 20 процентами, ранее оцененными учеными на основе данных о более загрязненных континентальных районах.
Команда также показала, что большинство этих вторичных углеродсодержащих частиц образовались в результате этого явления.
«Влияние загрязнения на образование вторичных органических аэрозолей было очень трудно выявить, - говорит Шривастава. «Наши результаты показывают, что земная атмосфера во многих континентальных районах уже существенно изменилась в результате деятельности человека, и это воздействие гораздо больше и масштабнее, чем предполагалось».
В своей статье Шривастава и другие авторы заключают: «Наши результаты дают четкую картину того, как антропогенные выбросы, вероятно, сильно изменили образование биогенных SOA [вторичных органических аэрозолей] над Землей с доиндустриальных времен, и подразумевают, что что быстрая урбанизация в будущем может существенно усилить биогенное образование SOA в нетронутых лесных районах Амазонки."
Шривастава - один из многих ученых во всем мире, которые создают сложные компьютерные модели для объяснения атмосферы и земной системы. Он описывает атмосферу как «большой химический реактор, постоянно перерабатывающий как природные, так и антропогенные выбросы, и в свою очередь влияющий как на климат, так и на здоровье человека».