В воздухе вокруг нас невидимы крошечные молекулы, которые управляют химическим коктейлем нашей атмосферы. Поскольку растения, животные, вулканы, лесные пожары и деятельность человека выбрасывают частицы в атмосферу, некоторые из этих молекул действуют как бригады по очистке, которые удаляют это загрязнение.
Основные молекулы, отвечающие за расщепление всех этих выбросов, называются окислителями. Молекулы, содержащие кислород, в основном озон и моющие средства на основе водорода, реагируют с загрязняющими веществами и активными парниковыми газами, такими как метан.
Исследование Вашингтонского университета, опубликованное 18 мая в журнале Nature, показывает, что во время больших колебаний климата окислители смещаются в другом направлении, чем ожидали исследователи, а это означает, что им необходимо переосмыслить то, что контролирует эти химические вещества в нашем воздухе.
«Окислители очень реакционноспособны, и они реагируют с загрязняющими веществами и парниковыми газами и очищают атмосферу», - говорит автор-корреспондент Бекки Александер, адъюнкт-профессор атмосферных наук Университета Вашингтона. «Мы хотели посмотреть, как способность атмосферы к самоочищению может меняться в зависимости от климата».
Первый автор Лэй Гэн, бывший постдокторант Университета Вашингтона, ныне работающий в Университете Гренобль-Альпы, проанализировал кусочки ледяного керна Гренландии в лаборатории изотопной химии Университета Вашингтона. Ядро возрастом 100 000 лет начинается в относительно теплый период, охватывает полный ледниковый период и заканчивается в наши дни, с несколькими более короткими колебаниями температуры на этом пути. Исследователи использовали новый метод, чтобы получить первые данные об изменениях в атмосферных окислителях - летучих химических веществах, которые не сохраняются напрямую в ледяных кернах.
Исследователи накормили талой водой бактерии, которые выпили жидкость, а затем выделили газ, который можно измерить с помощью приборов, отслеживающих изотопный состав газа. Взглянув на вес атомов кислорода в талой воде, команда увидела, сколько из них поступило от двух основных окислителей: озона, который меняется в атмосфере с течением времени, по сравнению с молекулами детергента, которые, как ожидается, останутся довольно постоянными.
"Мы обнаружили, что знак изменения был полной противоположностью тому, что мы ожидали", сказал Александр. «И это указывает на то, что то, что мы считали основными факторами обилия оксидантов, на самом деле не было основным контролем, и нам пришлось придумать некоторые другие механизмы».
Атмосферные ученые считали, что уровень озона повышается с повышением температуры. Озон производится с водяным паром и выбросами растений, почвенных бактерий и других живых существ. Все они увеличиваются с повышением температуры. Поэтому авторы рассчитывали обнаружить больше озона в более теплом климате.
Вместо этого доля озона на самом деле увеличилась в более холодном климате. Когда изменения температуры были небольшими, содержание озона увеличивалось вместе с температурой, но при больших колебаниях температуры эта зависимость менялась, и в холодные периоды озона было больше.
Одна из гипотез, предложенная авторами, заключается в изменении циркуляции между тропосферой, воздухом над нашими головами, и стратосферой, верхним слоем, расположенным рядом с местом, где летает большинство самолетов. Между ними циркулирует воздух, поднимаясь в тропиках и опускаясь обратно на полюсах. Стратосфера содержит больше озона, который в основном образуется на этих высотах в тропиках, поэтому, если циркуляция ускорится, то больше озона из стратосферы будет вынесено на поверхность.
«Есть доказательства - убедительные доказательства - показывающие, что циркуляция Брюера-Добсона усилилась во время последнего ледникового максимума», - сказал соавтор Цян Фу, профессор атмосферных наук из Университета Вашингтона. «Это означает, что в тропиках было меньше стратосферного озона, но больше в высоких широтах, а затем больше озона, спускающегося из стратосферы в тропосферу».
Это одно из объяснений того, почему уровень озона поднимается на поверхность в холодном климате. Этот сдвиг в циркуляции также приведет к тому, что в тропики попадет больше ультрафиолетового излучения, а ультрафиолет и водяной пар являются основными факторами образования другой основной группы окислителей, моющих средств. Тропики ледникового периода могли бы тогда стать богатым источником моющих средств, которые расщепляют загрязнения и парниковые газы, такие как метан.
«Традиционно записи метана из ледяных кернов интерпретировались исключительно как изменение источника», - сказал Александр. «Но модели наземной поверхности не смогли воспроизвести в полном объеме изменение метана, наблюдаемое в ледяных кернах. Это говорит о том, что, возможно, время жизни метана изменилось, и единственный способ сделать это - изменить количество моющего средства. в атмосфере."
Вторым возможным объяснением загадочной тенденции концентрации озона, по словам исследователей, является менее изученная группа окислителей: галогены. Эти молекулы плохо изучены, и до конца не известно, как они влияют на климат, но исследователи подозревают, что они могут влиять на уровни других окислителей.
«Крупнейшим источником галогенов является морская соль, и мы знаем из ледяных кернов, что содержание морской соли намного выше в более холодном климате», - сказал Александр. «Конечно, морской лед тоже меняется в зависимости от климата».
Авторы подозревают, что оба механизма - высокоуровневая циркуляция и химические реакции с галогенами - могут воздействовать на окислители во время больших колебаний температуры Земли.
«Измеренные нами изменения уровня озона кажутся довольно значительными, если рассматривать только один механизм в каждый момент времени, предполагая, что они могут действовать одновременно, а не обязательно независимо друг от друга», - сказал Александр.