Aus Pflanzenblättern stammende Gase treiben ein bisher unbekanntes atmosphärisches Phänomen über den Amazonas-Regenwald, so eine aktuelle Studie von Forschern des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Die Ergebnisse haben wichtige Anwendungen für die Atmosphärenwissenschaft und die Modellierung des Klimawandels.
„Der tropische Amazonas-Regenwald stellt die Lunge der Erde dar, und diese Studie verbindet natürliche Prozesse im Wald mit Aerosolen, Wolken und dem Strahlungsgleichgewicht der Erde auf eine Weise, die bisher nicht erkannt wurde“, sagte Manish Shrivastava, Geowissenschaftler bei PNNL und Hauptforscher der Studie.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht ACS Erd- und Weltraumchemie.
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 nach dem derzeitigen Verständnis atmosphärischer Modelle zu erwarten gewesen wäre. Durch weitere Untersuchungen stellte das Team fest, dass in den aktuellen Atmosphärenmodellen, die die Menge an feinen Partikeln in der oberen Atmosphäre bestimmen, wichtige Wald-Atmosphäre-Wechselwirkungen fehlen.
Die Forscher entdeckten einen bisher unbekannten Prozess mit halbflüchtigen Gasen, die von Pflanzen im gesamten Amazonas-Regenwald emittiert und von Wolken in die obere Atmosphäre transportiert werden. Diese Gase sind natürliche chemische Verbindungen auf Kohlenstoffbasis, die in der oberen Atmosphäre leicht zu feinen Partikeln kondensieren können. Dieser Prozess, sagte Shrivastava, ist sehr effizient bei der Herstellung feiner Partikel in großen Höhen und bei kalten Temperaturen. Diese feinen Partikel kühlen den Planeten, indem sie die Menge an Sonnenlicht reduzieren, die die Erde erreicht, und sie erzeugen auch Wolken, die den Niederschlag und den Wasserkreislauf beeinflussen.
„Ohne ein vollständiges Verständnis der halbflüchtigen Quelle organischer Gase können wir das Vorhandensein und die Rolle wichtiger Partikelkomponenten in großen Höhen einfach nicht erklären“, sagte Shrivastava.
Entscheidende Entdeckung in atmosphärischen Prozessen
Shrivastavas Forschungsprojekt, das durch einen Early Career Research Award des Energieministeriums (DOE) finanziert wurde, umfasste die Untersuchung der Bildung von Aerosolpartikeln, die als sekundäre organische Isopren-Epoxydiol-Aerosole (IEPOX-SOAs) bekannt sind und von Flugzeugen gemessen werden, die in verschiedenen Höhen fliegen.
IEPOX-SOAs sind wesentliche Bausteine für feine Partikel, die in allen Höhen der Troposphäre zu finden sind – der Region der Atmosphäre, die sich von der Erdoberfläche bis in etwa 20 Kilometer Höhe über tropischen Regionen erstreckt. Atmosphärenmodelle haben diese Partikel und ihren Einfluss auf Wolken hoch über der Erde jedoch nicht ausreichend berücksichtigt.
„Da Modelle die beobachteten IEPOX-SOA-Belastungen in 10 bis 14 Kilometern Höhe im Amazonasgebiet nicht vorhersagen würden, bekamen wir meiner Meinung nach entweder Modellfehler oder ein mangelndes Verständnis der Messungen“, sagte Shrivastava. „Ich konnte es an der Oberfläche erklären, aber nicht in höheren Lagen.“
Shrivastava und sein Team durchforsteten Daten, die vom Flugzeug Grumman Gulfstream-159 (G-1) gesammelt wurden, einem DOE-Fluglabor, das von der Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Aerial Facility betrieben und in bis zu 5 Kilometer Höhe geflogen wurde. Das Team verglich auch Daten, die von einem deutschen Flugzeug namens High Altitude and Long Range Research Aircraft oder HALO gesammelt wurden, das in Höhen von bis zu 14 Kilometern geflogen wird. Basierend auf den modellierten Projektionen hätten ihre Ladungen von IEPOX-SOAs mindestens eine Größenordnung niedriger sein müssen als die gemessenen Werte, sagte Shrivastava. Weder er noch seine Kollegen außerhalb von PNNL konnten die Unterschiede bei den Messungen und den Prognosen der Modelle erklären.
Vor der Forschung des Teams wurde angenommen, dass IEPOX-SOA hauptsächlich durch mehrphasige atmosphärische Chemiewege gebildet werden, die Reaktionen von Isopren in der Gasphase und Partikeln beinhalten, die flüssiges Wasser enthalten. Die zur Herstellung von IEPOX-SOAs erforderlichen atmosphärischen chemischen Wege treten jedoch aufgrund der extrem kalten Temperaturen und trockenen Bedingungen in der oberen Troposphäre nicht auf. In dieser Höhe sind die Partikel und Wolken gefroren und es fehlt ihnen an flüssigem Wasser. Die Forscher konnten ihre in 10 bis 14 Kilometern Höhe beobachtete Bildung daher nicht mit verfügbaren Modellen erklären.
Um das Geheimnis zu lüften, kombinierten die Forscher spezialisierte Höhenflugzeugmessungen und detaillierte regionale Modellsimulationen, die mit Supercomputing-Ressourcen am Environmental Molecular Sciences Laboratory am PNNL durchgeführt wurden. Ihre Studie deckte die unentdeckte Komponente atmosphärischer Prozesse auf. Ein halbflüchtiges Gas namens 2-Methyltetrol wird durch Wolkenaufwinde in die kalte obere Troposphäre transportiert. Das Gas kondensiert dann zu Partikeln, die vom Flugzeug als IEPOX-SOA detektiert werden.
„Dies ist sicherlich eine wichtige Entdeckung, da sie zu unserem Verständnis der Bildung dieser feinen Partikel beiträgt und daher ein neues Licht darauf wirft, wie natürliche Prozesse im Wald den Planeten kühlen und zu Wolken und Niederschlägen beitragen“, sagte Shrivastava. „Zusammen mit einem sich ändernden globalen Klima und einer schnellen Entwaldung in vielen Teilen des Amazonas stören die Menschen die wichtigsten natürlichen Prozesse, die feine Partikel in der Atmosphäre erzeugen und die globale Erwärmung modulieren.“
Türen öffnen für weitere atmosphärische Forschung
Die Ergebnisse des Teams kratzen nur an der Oberfläche, sagte Shrivastava, als sie mehr über diesen neu entdeckten atmosphärischen Prozess und seine Auswirkungen auf die Bildung feiner Partikel in der Atmosphäre erfahren. Er sagte, der neu identifizierte Prozess von Pflanzen könnte ein breites Spektrum atmosphärischer Partikelphänomene über anderen bewaldeten Orten auf der ganzen Welt erklären.
„Im Großen und Ganzen ist dies nur der Anfang dessen, was wir wissen, und wird neue Grenzen der Forschung in den Wechselwirkungen zwischen Land, Atmosphäre, Aerosol und Wolken eröffnen“, sagte er. „Zu verstehen, wie der Wald diese Partikel produziert, könnte uns helfen zu verstehen, wie Abholzung und Klimawandel die globale Erwärmung und den Wasserkreislauf beeinflussen werden.“
Manish Shrivastava et al, Tight Coupling of Surface and In-Plant Biochemistry and Convection Governs Key Fine Particulate Components over the Amazon Rainforest, ACS Erd- und Weltraumchemie (2022). DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00356