Gedurende een paar weken in de zomer van 2011 teams van wetenschappers van over de hele wereld kwamen samen op een klein stukje ponderosa-dennenbos in Colorado om een ​​van de meest gedetailleerde, uitgebreid overzicht van atmosferische chemie ooit geprobeerd op één plek, in veel gevallen met behulp van nieuwe meetapparatuur die speciaal voor dit project is gemaakt. Nutsvoorzieningen, na jaren van analyse, hun uitgebreide synthese van de bevindingen is deze week vrijgegeven.

De teams, waaronder een groep van MIT die een nieuw ontwikkeld apparaat gebruikte om koolstofverbindingen te identificeren en te kwantificeren, rapporteerden hun gecombineerde resultaten in een paper in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen . Jesse Krol, MIT universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek en chemische technologie, en James Hunter, een technisch instructeur van het MIT bij de afdeling Materials Science and Engineering die ten tijde van het onderzoek een doctoraatsstudent was in de groep van Kroll, waren senior auteur en hoofdauteur, respectievelijk, van de 24 bijdragers aan het rapport. Universitair hoofddocent Colette Heal van de afdeling Civiele en Milieutechniek was ook co-auteur.

De organische (koolstofhoudende) verbindingen die ze in dat stukje bos in Colorado hebben bestudeerd, spelen een sleutelrol in atmosferische chemische processen die de luchtkwaliteit kunnen beïnvloeden, de gezondheid van het ecosysteem, en het klimaat zelf. Toch blijven veel van deze processen slecht begrepen in hun werkelijke complexiteit, en ze waren nog nooit zo rigoureus gesampled, bestudeerd, en eerder op één plaats gekwantificeerd.

"Het doel was om de chemie te begrijpen die verband houdt met organische fijnstof in een bosrijke omgeving, " legt Kroll uit. "De verschillende groepen hebben veel verschillende metingen gedaan met behulp van de modernste instrumenten die we elk hadden ontwikkeld." ze waren in staat om significante leemten in de inventaris van organische verbindingen in de atmosfeer op te vullen, vond dat ongeveer een derde van hen in de vorm was van voorheen ongemeten semi-vluchtige en intermediaire vluchtige organische verbindingen (SVOC's en IVOC's).

"We hebben lang vermoed dat er hiaten waren in onze metingen van koolstof in de atmosfeer, " zegt Kroll. "Er leken meer aerosolen te zijn dan we kunnen verklaren door hun voorlopers te meten."

Het MIT-team, evenals enkele van de andere onderzoeksgroepen, ontwikkelde instrumenten die specifiek gericht waren op deze moeilijk te meten verbindingen, die Kroll beschrijft als "nog steeds in de gasfase, maar plakkerig." Hun plakkerigheid maakt het moeilijk om ze door een inlaat in een meetinstrument te krijgen, maar deze verbindingen kunnen een belangrijke rol spelen bij de vorming en wijziging van aerosolen, kleine deeltjes in de lucht die kunnen bijdragen aan smog of aan de kiemvorming van regendruppels of ijskristallen, het klimaat op aarde beïnvloeden.

"Sommige van deze instrumenten werden voor het eerst gebruikt in deze campagne, " zegt Kroll. Bij het analyseren van de resultaten, die ongekende metingen van de SVOC's en IVOC's opleverde, "We realiseerden ons dat we deze dataset hadden die veel meer informatie over organische verbindingen opleverde dan ooit tevoren. Door de gegevens van al deze instrumenten samen te brengen in één gecombineerde dataset, we waren in staat om de organische verbindingen in de atmosfeer op een meer omvattende manier te beschrijven dan ooit mogelijk was geweest, om erachter te komen wat er werkelijk aan de hand is."

Het is een ingewikkelder uitdaging dan het lijkt, wijzen de onderzoekers erop. Een zeer groot aantal verschillende organische verbindingen worden voortdurend uitgestoten door bomen en andere vegetatie, die variëren in hun chemische samenstelling, hun fysieke eigenschappen, en hun vermogen om chemisch te reageren met andere verbindingen. Zodra ze in de lucht komen, beginnen veel van de verbindingen te oxideren, waardoor hun aantal en diversiteit exponentieel toeneemt.

De gezamenlijke campagne om de hoeveelheden en reacties van deze verschillende verbindingen te karakteriseren, vond plaats in een deel van het Manitou Experimental Forest Observatory in de Rocky Mountains van Colorado. Er werden vijf verschillende instrumenten gebruikt om de gegevens over organische verbindingen te verzamelen, en drie daarvan waren nog nooit eerder gebruikt.

Ondanks de vooruitgang, er moet nog veel gebeuren, zeggen de onderzoekers. Hoewel de veldmetingen een gedetailleerd profiel gaven van de hoeveelheden van verschillende verbindingen in de loop van de tijd, het kon de specifieke reacties en routes die de ene set verbindingen in de andere transformeerden niet identificeren. Dat soort analyse vereist de directe studie van de reacties in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, en dat soort werk is aan de gang, in Kroll's MIT-lab en elders.

Het invullen van al deze details zal het mogelijk maken om de nauwkeurigheid van atmosferische modellen te verfijnen en te helpen bij het beoordelen van zaken als strategieën om specifieke luchtvervuilingsproblemen te verminderen, van ozon tot fijn stof, of om de bronnen en verwijderingsmechanismen te beoordelen van atmosferische componenten die het klimaat op aarde beïnvloeden.