В течение нескольких недель летом 2011 года группы ученых со всего мира собрались на небольшом участке соснового леса пондероза в Колорадо, чтобы провести одно из самых подробных расширенных исследований атмосферной химии, когда-либо предпринятых в в одном месте, во многих случаях с использованием новых измерительных приборов, созданных специально для этого проекта. Теперь, после нескольких лет анализа, на этой неделе был выпущен их всеобъемлющий синтез результатов.
Команды, в которую входила группа из Массачусетского технологического института, использующая недавно разработанное устройство для идентификации и количественного определения соединений углерода, сообщили о своих совместных результатах в статье в журнале Nature Geoscience. Джесси Кролл, адъюнкт-профессор Массачусетского технологического института по гражданскому и экологическому проектированию и химическому машиностроению, и Джеймс Хантер, технический инструктор Массачусетского технологического института на факультете материаловедения и инженерии, который был докторантом в группе Кролла во время исследования, были старшим автором. и ведущий автор, соответственно, из 24 авторов отчета. Доцент Колетт Хилд с факультета гражданского и экологического строительства также была соавтором.
Органические (углеродосодержащие) соединения, которые они изучали на этом участке леса в Колорадо, играют ключевую роль в атмосферных химических процессах, которые могут влиять на качество воздуха, здоровье экосистемы и сам климат. Тем не менее, многие из этих процессов остаются плохо изученными из-за их сложности в реальном мире, и они никогда раньше не подвергались такому тщательному анализу, изучению и количественной оценке в одном месте.
«Целью было попытаться понять химию, связанную с органическими твердыми частицами в лесной среде», - объясняет Кролл. «Различные группы провели множество различных измерений с использованием самых современных инструментов, которые каждая из нас разработала». При этом они смогли заполнить значительные пробелы в перечне органических соединений в атмосфере, обнаружив, что около трети из них находятся в форме ранее неизмеряемых полулетучих и среднелетучих органических соединений (СЛОС и СЛОС)..
«Мы давно подозревали, что в наших измерениях содержания углерода в атмосфере есть пробелы, - говорит Кролл. «Казалось, что аэрозолей было больше, чем мы можем объяснить, измерив их предшественники».
Команда Массачусетского технологического института, а также некоторые другие исследовательские группы разработали инструменты, специально предназначенные для этих трудноизмеримых соединений, которые Кролл описывает как «все еще находящиеся в газовой фазе, но липкие». Их липкость затрудняет их попадание через входное отверстие в измерительное устройство, но эти соединения могут играть важную роль в образовании и изменении аэрозолей, мельчайших частиц в воздухе, которые могут способствовать образованию смога или образованию зародышей капель дождя или кристаллов льда., влияющие на климат Земли.
«Некоторые из этих инструментов впервые использовались в этой кампании, - говорит Кролл. При анализе результатов, которые обеспечили беспрецедентные измерения SVOC и IVOC, «мы поняли, что у нас есть этот набор данных, который дает гораздо больше информации об органических соединениях, чем когда-либо прежде. Собрав данные со всех этих инструментов в один объединенный набор данных., мы смогли описать органические соединения в атмосфере более полным, чем когда-либо, способом, чтобы понять, что происходит на самом деле».
Это более сложная задача, чем может показаться, отмечают исследователи. Деревья и другая растительность постоянно выделяют очень большое количество различных органических соединений, различающихся по своему химическому составу, физическим свойствам и способности вступать в химические реакции с другими соединениями. Как только они попадают в воздух, многие соединения начинают окисляться, что экспоненциально увеличивает их количество и разнообразие.
Совместная кампания по определению количества и реакций этих различных соединений проходила в одной из частей экспериментальной лесной обсерватории Manitou в Скалистых горах штата Колорадо. Для сбора данных об органических соединениях использовались пять различных инструментов, три из которых ранее никогда не использовались.
Несмотря на прогресс, многое еще предстоит сделать, говорят исследователи. Хотя полевые измерения предоставили подробный профиль количества различных соединений с течением времени, они не смогли определить конкретные реакции и пути, которые трансформировали один набор соединений в другой. Такой анализ требует прямого изучения реакций в контролируемых лабораторных условиях, и такая работа продолжается в лаборатории Кролла в Массачусетском технологическом институте и в других местах.
Заполнение всех этих деталей позволит повысить точность атмосферных моделей и поможет оценить такие вещи, как стратегии по смягчению конкретных проблем загрязнения воздуха, от озона до твердых частиц, или оценить источники и механизмы удаления компонентов атмосферы, влияющих на климат Земли.
В состав группы измерения входили исследователи из Университета Колорадо, Калифорнийского совета по воздушным ресурсам, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Торонто, Университета Инсбрука в Австрии, Национального центра атмосферных исследований, Mach Foundation в Италии, Гарвардский университет, Монреальский университет, Aerodyne Research, Университет Карнеги-Меллона, Калифорнийский университет в Ирвине и Вашингтонский университет. Работа финансировалась Национальным управлением океанических и атмосферных исследований.