Как углеводороды, выделяемые растениями, формируют наше небо

В рамках международного проекта CLOUD в Центре ядерных исследований ЦЕРНИсследователи из PSI определили так называемые сесквитерпены — газообразные углеводороды, выделяемые растениями, — как ключевой фактор в формировании облаков. Этот результат может уменьшить неопределенности в климатических моделях и помочь обеспечить более точные прогнозы. Исследование теперь опубликовано в журнале Научные достижения.

Согласно последним прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), глобальный климат составит от 1,5 до 4,4 градусов. Цельсия к 2100 году будет теплее, чем доиндустриальный уровень. Эта цифра основана на различных сценариях, описывающих, как антропогенные выбросы парниковых газов могут развиваться в будущем. Таким образом, в лучшем случае, если мы сможем быстро и радикально сократить выбросы, мы все равно сможем достичь целевого показателя Парижского соглашения в 1,5°C. В худшем случае мы закончим гораздо выше этого.

Однако эти прогнозы также подвержены некоторой неопределенности. Например, в худшем случае, поскольку выбросы продолжают резко увеличиваться, повышение температуры может достичь 3,3 градуса Цельсия или 5,7 градуса Цельсия вместо 4,4 градуса.

Эти неопределенности в прогнозировании того, как изменятся температуры в результате значительных изменений в выбросах парниковых газов, связаны главным образом с тем, что ученые еще не до конца понимают все процессы, происходящие в атмосфере, — взаимодействия между различными газами и содержащимися в ней аэрозолями. . Их создание является целью проекта CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), международного сотрудничества между исследователями атмосферы в Центре ядерных исследований ЦЕРН в Женеве. PSI помогла построить CLOUD Room и является членом руководящего комитета проекта.

В Лаборатории химии атмосферы Лубна Дада, среди прочего, изучает образование и химический состав аэрозолей. Фото: Институт Пауля Шеррера/Маркус Фишер.

Секрет образования облаков

В частности, в настоящее время остается загадкой то, как будет развиваться облачный покров в будущем. Однако это важный фактор в прогнозировании климата, поскольку большее количество облаков отражает больше солнечной радиации, тем самым охлаждая поверхность Земли.

Для образования капель, образующих облака, водяному пару необходимы ядра конденсации, которые представляют собой твердые или жидкие частицы, на которых происходит конденсация. Их обеспечивает широкий спектр аэрозолей, которые представляют собой небольшие твердые или жидкие частицы диаметром от 0,1 до 10 микрометров, которые производятся и выбрасываются в воздух природой и в результате деятельности человека. Эти частицы могут включать, например, соль из моря, песок из пустыни, загрязняющие вещества от промышленности и транспорта или частицы сажи от пожаров.

Однако около половины ядер конденсации на самом деле образуется в воздухе, когда различные газообразные молекулы объединяются и превращаются в твердые вещества. Эксперты называют этот феномен «нуклеацией» или «образованием новых частиц» (NPF). Первоначально эти частицы очень малы, размером чуть больше нескольких нанометров, но со временем они могут расти за счет конденсации газообразных молекул и затем действовать как ядра конденсации.

Парниковые газы, которые можно почувствовать по запаху

Основным человеческим газом, способствующим образованию частиц, является диоксид серы в форме серы. кислый, в основном от сжигания угля и нефти. Наиболее важными природными газами являются так называемые изопрены, монотерпены и сесквитерпены. Это углеводороды, которые в основном выделяются растениями. Они являются важными компонентами эфирных масел, которые мы чувствуем, например, когда стригут траву или когда идем гулять по лесу. Когда эти вещества окисляются, то есть вступают в реакцию с озоном, они образуют в воздухе аэрозоли.

«Стоит отметить, что концентрация диоксида серы в воздухе значительно снизилась за последние годы из-за ужесточения природоохранного законодательства и будет продолжать снижаться», — говорит Лубна Дада, ученый-атмосферник из PSI. «С другой стороны, концентрация терпенов увеличивается, потому что растения выделяют их больше, когда они испытывают стресс – например, когда происходит повышение температуры и экстремальные погодные условия, а растительность более восприимчива к засухе».

Поэтому большой вопрос для улучшения прогнозов климата заключается в том, какие факторы будут преобладать, приводя к увеличению или уменьшению образования облаков. Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны знать, как каждое из этих веществ способствует образованию новых молекул. О серной кислоте уже многое известно, а роль монотерпенов и изопрена теперь лучше понята благодаря измерениям, проведенным в ходе полевых испытаний и экспериментов, таких как CLOUD, в которых участвовала PSI.

Сесквитерпены встречаются редко, но эффективны.

На сегодняшний день сесквитерпены не являются предметом исследований. «Это потому, что это трудно измерить», — объясняет Дада. «Во-первых, потому что он очень быстро реагирует с озоном, а во-вторых, потому что встречается реже, чем другие вещества».

Ежегодно выбрасывается около 465 миллионов тонн изопрена и 91 миллион тонн монотерпенов, тогда как на сесквитерпены приходится лишь 24 миллиона тонн. Однако новое исследование, ведущим автором которого является Дада, показывает, что эти соединения играют важную роль в формировании облаков. Согласно измерениям, оно образует в десять раз больше молекул, чем два других органических вещества той же концентрации.

Чтобы определить это, Дада и ее коллеги использовали уникальную камеру CLOUD в Европейской организации ядерных исследований ЦЕРН. Камера представляет собой закрытое помещение, в котором можно моделировать различные погодные условия. «Эта климатическая камера имеет площадь около 30 кубических метров и является самой чистой в своем роде в мире», — говорит Дада. «Настолько чистый, что позволяет нам изучать сесквитерпены даже при низких концентрациях, зафиксированных в атмосфере».

Именно это и было целью исследования. Он предназначен для моделирования состава биологических частиц в атмосфере. В частности, исследователей интересовало изучение доиндустриальных времен, когда не было выбросов диоксида серы, вызванных деятельностью человека. Это позволяет более четко определить и спрогнозировать влияние человеческой деятельности на будущее. Однако антропогенный диоксид серы уже давно стал повсеместным в природе. Это еще одна причина, почему комната, использующая только ОБЛАКО, жизнеспособна. Это также позволяет производить доиндустриальные смеси в контролируемых условиях.

Фиксированные частицы приводят к большему сопротивлению

Эксперименты показали, что окисление природной смеси изопрена, монотерпенов и сесквитерпенов на свежем воздухе приводит к образованию большого разнообразия органических соединений – так называемых ULVOC (органические соединения со сверхнизкой летучестью). Как следует из названия, он не очень летуч и поэтому очень эффективно образует частицы, которые со временем могут вырасти в ядра конденсации. Драматический эффект сесквитерпенов был обнаружен, когда исследователи добавили сесквитерпены в камеру с суспензией только изопрена и монотерпенов. Даже добавление всего 2% удвоило скорость образования новых частиц. «Это можно объяснить тем, что молекула сесквитерпена состоит из 15 атомов углерода, тогда как монотерпены состоят всего из десяти атомов, а изопрен — только из пяти атомов», — говорит Дада.

С одной стороны, исследование раскрывает другой способ влияния растительности на погоду и климат. Однако, прежде всего, результаты исследований показывают, что сесквитерпены следует включать в качестве отдельного фактора в будущие климатические модели наряду с изопреном и монотерпенами, чтобы сделать их прогнозы более точными. Это особенно актуально в свете снижения концентрации диоксида серы в атмосфере и одновременного увеличения биотических выбросов в результате климатического стресса, а это означает, что последний, вероятно, станет все более важным для нашего климата в будущем. Однако необходимы и другие исследования для дальнейшего улучшения прогнозов образования облаков. Это уже планируется в Лаборатории химии атмосферы.

«Следующим шагом является то, что мы и наши партнеры в CLOUD хотим точно выяснить, что произошло во время индустриализации, когда природная атмосфера стала все больше смешиваться с антропогенными газами, такими как диоксид серы, аммиак и другие газы», ​​— говорит Имад Аль-Хаддад, руководитель группы. по атмосферным молекулярным процессам. Антропогенные органические соединения».

Ссылка: «Роль сесквитерпенов в образовании новых биочастиц» Лубны Дада, Доминика Стольценберга, Марио Симона, Лукаса Фишера, Мартина Хейнритци, Минджи Ванг, Мао Сяо, Александра Л. Фогеля, Лаури Ахонен, Антонио Аморима, Римы Баалбаки, Андреа Баккарини, Орс Балтенсбергер, Федерико Бьянки, Каспар Р. Диленбах, Джина Дививо, Антонио Диас, Джозеф Домен, Джонатан Дюплесси, Хеннинг Финкенцеллер, Армин Гензель, Шу-Цин Хе, Виктория Хофбауэр, Кристофер Р. Хойл, Юха Кангасалома, Чангюк Ким, Андреас. Кортен, Александр Квашнин, Рой Молдин, Владимир Махмутов, Робби Мартин, Бернхард Минтлер, Вэй Не, Туукка Петага, Лориан Л.Г. Кёлливер, Харальд Саатхофф, Кристиан Таубер, Антонио Томей, Уго Молтени, Райнер Волкамер, Роберт Вагнер, Андреа К. Вагнер, Даниэла Виммер, Пол М. Винклер, Чжао Ян, Цяози Чжа, Матти Риссанен, Хэмиш Гордон, Йоахим Куртиус, Дуглас Р. Варсноп, Катриан Лехтипало, Нил М. Донахью, Джаспер Киркби, Имад Аль-Хаддад, Марко Колмала, 8 сентября 2023 г., Научные достижения.
doi: 10.1126/sciadv.adi5297