大学教育网

亚马逊雨林树叶气体影响地球大气

导读 根据太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员最近的一项研究,植物叶子衍生的气体在亚马逊热带雨林中引发了一种以前未知的大气现象。这些

根据太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员最近的一项研究,植物叶子衍生的气体在亚马逊热带雨林中引发了一种以前未知的大气现象。

这些发现对大气科学和气候变化建模具有重要应用。

PNNL 地球科学家 Manish Shrivastava 说: “热带亚马逊雨林构成了地球的肺,这项研究将森林中的自然过程与气溶胶、云层和地球的辐射平衡联系起来,这是以前未被认识的方式。”该研究的首席研究员。

该研究结果最近发表在ACS Earth and Space Chemistry 上。

填补缺失的数据空白

Shrivastava 和他的团队正在研究高层大气中的细颗粒时,他们发现他们的测量结果与基于当前对大气模型的理解所预期的结果之间存在很大差异。通过进一步的研究,该团队发现当前大气模型中缺少关键的森林-大气相互作用,这些模型控制着高层大气中细颗粒的数量。

研究人员发现了一个以前未被认识的过程,涉及半挥发性气体,这些气体由整个亚马逊雨林的植物排放,并通过云层输送到高层大气中。这些气体是天然的碳基化合物,很容易在高层大气中凝结形成细颗粒。Shrivastava 说,这个过程在高海拔和低温下生产细颗粒非常有效。这些细颗粒通过减少到达地球的阳光量来冷却地球,它们还播下影响降水和水循环的云。

“如果不充分了解有机气体的半挥发性来源,我们根本无法解释高海拔地区关键粒子成分的存在和作用,”Shrivastava 说。

大气过程中的关键发现

Shrivastava 的研究项目由能源部 (DOE) 早期职业研究奖资助,涉及调查被称为异戊二烯环氧二醇二级有机气溶胶 (IEPOX-SOA) 的气溶胶颗粒的形成,这些颗粒是通过在不同高度飞行的飞机测量的。

IEPOX-SOA 是在对流层所有高度(从地球表面延伸到热带地区上方约 20 公里的大气区域)中发现的细颗粒的重要组成部分。然而,大气模型没有充分考虑这些粒子及其对地球上空云层的影响。

“由于模型无法预测在亚马逊 10 到 14 公里高度观察到的 IEPOX-SOA 载荷,我们得到了我认为是模型失败或对测量缺乏了解的情况,”Shrivastava 说。“我可以在地表解释它,但无法在更高的高度解释它。”

Shrivastava 和他的团队搜索了格鲁曼公司 Gulfstream-159 (G-1) 飞机收集的数据,这是一个由大气辐射测量 (ARM) 空中设施运营的 DOE 飞行实验室,飞行高度可达 5 公里。该团队还比较了一架德国飞机收集的数据,该飞机被称为高海拔和远程研究飞机,或 HALO,其飞行高度达到 14 公里。Shrivastava 说,根据模型预测,他们的 IEPOX-SOA 负载应该至少比测量的低一个数量级。他和 PNNL 以外的同事都无法解释测量结果的差异以及模型的预测。

在团队进行研究之前,人们认为 IEPOX-SOA 主要由多相大气化学途径形成,涉及气相中的异戊二烯和含有液态水的颗粒的反应。然而,产生 IEPOX-SOA 所需的大气化学途径不会发生在对流层上层,因为其极冷的温度和干燥的条件。在那个高度,粒子和云被冻结并且缺乏液态水。因此,研究人员无法使用现有模型解释在 10 到 14 公里高度观察到的它们的形成。

为了解开这个谜团,研究人员结合了专门的高空飞机测量和使用 PNNL 环境分子科学实验室的超级计算资源进行的详细区域模型模拟。他们的研究揭示了大气过程中未被发现的成分。一种称为 2-甲基四醇的半挥发性气体通过云上升气流输送到寒冷的对流层上层。然后气体冷凝形成颗粒,飞机将其检测为 IEPOX-SOA。

“这无疑是一个重要的发现,因为它有助于我们了解这些细小颗粒是如何形成的,因此为森林中的自然过程如何使地球降温并促成云和降水提供了新的视角,”Shrivastava 说。“随着全球气候的变化和亚马逊许多地区的森林砍伐迅速,人类正在扰乱在大气中制造细颗粒并调节全球变暖的关键自然过程。”

为进一步的大气研究打开大门

Shrivastava 说,该团队的发现只是表面上的问题,以了解这一新发现的大气过程以及它如何影响大气中细颗粒的形成。他说,新发现的植物过程可以解释世界其他森林地区的一系列大气粒子现象。

“在宏伟的计划中,这只是我们所知道的开始,并将开辟陆地-大气-气溶胶-云相互作用研究的新前沿,”他说。“了解森林如何产生这些颗粒可以帮助我们了解森林砍伐和气候变化将如何影响全球变暖和水循环。”