Terwijl hij van bovenaf op de Amazone neerkeek, glanzende bladeren vormden golven van gebladerte. De wind gierde door hen heen, het creëren van wervelingen en poelen van groen. Vanuit dit standpunt, sommige mensen hebben misschien net bomen gezien. Maar vanaf zijn verheven baars, Kolby Jardine, een onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (DOE), zag meer:​​de complexe ecologische cyclus van het bos. Beginnend met emissies die door de bladeren worden uitgestoten tot de wolken hoog erboven, elk onderdeel beïnvloedt alle andere.

Jardine maakte deel uit van het "Green Ocean Amazon"- of GoAmazon-project van het DOE Office of Science, die zich richtte op een beter begrip van de watercyclus van het Amazonebekken. Door gegevens op een zwaaiende, smal platform groter dan een gebouw van 10 verdiepingen, Jardine hoopte in een deel van dit systeem te kijken:hoe tropische bladeren emissies produceren.

"Je voelt echt hoe het is om een ​​blad in het bovenste bladerdak te zijn, " hij zei.

De Amazone is 's werelds grootste en meest diverse tropische regenwoud, strekt zich uit over negen landen. Terwijl door de mens veroorzaakte emissies de lucht vervuilen in het droge seizoen, de lucht boven de Amazone is in het natte seizoen een van de schoonste plekken op aarde.

Dat contrast maakt het de perfecte plek voor Jardine en andere onderzoekers om te bestuderen hoe bomen emissies afgeven en welke effecten die emissies hebben op het klimaat.

Bomen en andere planten produceren honderden tot duizenden vluchtige organische stoffen (VOS). Deze op koolstof gebaseerde chemicaliën verdampen gemakkelijk uit een vloeistof of vaste stof in de lucht bij veel lagere temperaturen dan de meeste chemicaliën. Bijvoorbeeld, je neus neemt VOS waar als je pijnbomen ruikt. Andere VOS zijn door mensen gemaakt, zoals degenen die de "nieuwe autogeur" ​​produceren. Terwijl door de mens gemaakte VOS domineren in stedelijke gebieden, VOS geproduceerd door bomen spelen een grote rol in het Amazonegebied.

Binnen enkele minuten tot uren nadat bomen ze hebben losgelaten, VOS reageren met ozon en andere chemicaliën in de atmosfeer. Ze groeperen zich om grotere verbindingen te worden of reageren met door de mens veroorzaakte emissies van dieselvoertuigen of elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen gebruiken. In beide gevallen, ze vormen secundaire organische aerosolen (SOA's), vaste of vloeibare deeltjes gesuspendeerd in gas.

Van het vormen van smog tot het beïnvloeden van wolkenvorming, SOA's sturen een aantal atmosferische en klimatologische processen aan. De interacties tussen aerosolen, VOC's, en andere biologische emissies creëren een van de grootste onzekerheden in klimaatmodellen. Het Office of Science van het Department of Energy ondersteunt onderzoek naar VOS van bomen en de SOA's die ze vormen.

De grote impact van kleine deeltjes

Voor verbindingen die vaak minder dan twee uur duren voordat ze met iets anders reageren, VOC's hebben een grote impact. Dat geldt vooral in de tropen, waar 30 tot 50 procent van de bomen VOS uitstoten. Via de SOA's transformeren ze in, VOS beïnvloeden het weer en het klimaat op twee belangrijke manieren.

Eerst, SOA's vormen een groot deel van de kleine deeltjes in de atmosfeer. Ze beïnvloeden hoeveel zonlicht de atmosfeer absorbeert of verstrooit, en daarmee de hoeveelheid licht en warmte die het aardoppervlak bereikt.

Tweede, waterdamp condenseert op SOA's. Soms, het deeltje verzamelt genoeg water om een ​​wolkendruppel te worden. Als het blijft groeien, het kan een regendruppel worden die op de aarde valt. Het GoAmazon-project ging de uitdaging aan om gegevens over VOS te verzamelen, Zoals, en hun effecten op het weer. Het GoAmazon-team nam gegevens van januari 2014 tot december 2015 met behulp van de Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, een Office of Science gebruikersfaciliteit.

Wat gebeurt er als een boom ademt?

Om de rol van biologische VOS in het regenwoud in kaart te brengen, wetenschappers moeten begrijpen hoe en waarom bomen ze produceren. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan.

Het aantal factoren dat de VOS-productie bepaalt, is enorm. Het seizoen, soorten boom, blad leeftijd, kooldioxideconcentratie in de lucht rond de boom, licht, en temperatuur zijn er maar een paar. In aanvulling, planten geven niet alleen VOS af; sommigen nemen zelfs bepaalde VOC's op.

Een andere uitdaging is simpelweg het nemen van gegevens in en boven het bladerdak. Een van de belangrijkste manieren van onderzoekers om lucht te proeven, is door aangepaste vliegtuigen vol met complexe instrumenten recht over de overkapping te vliegen.

In tegenstelling tot modellen, "de op vliegtuigen gebaseerde metingen leveren [gegevens over] de echte atmosfeer, " zei Jian Wang, een wetenschapper bij DOE's Brookhaven National Laboratory.

Om de niveaus van isopreen (een belangrijke VOS) net boven het bladerdak te begrijpen, het GoAmazon-team voerde acht verschillende onderzoeksvluchten uit in zowel het natte als het droge seizoen. Uit hun gegevens bleek dat de isopreenemissie drie keer hoger was dan satellietgegevens hadden onthuld en 35 procent hoger dan de voorspelde modellen. Vooral, ze ontdekten dat noch modellen noch satellieten rekening hielden met verschillende hoogtes of de verscheidenheid aan plantensoorten in de Amazone.

"We moeten weten wie de spelers zijn en wat hun bronnen zijn. ' zei Jardine.

Jardine en zijn team hadden een complementaire benadering:ze zaten dagen achter elkaar bovenop een smalle toren die uit de jungle oprees. Na een wandeling door het bos voor zonsopgang, ze bemonsterden elke 10 minuten gassen van verschillende niveaus van de toren. Vervolgens analyseerden ze de inhoud met behulp van een gespecialiseerd instrument dat de massa's van chemicaliën gebruikt om ze te identificeren.

De verschillen volgen, ze ontdekten dat bomen overdag veel meer isopreen produceerden dan 's nachts en tijdens het droge seizoen dan het natte seizoen. Hoe meer zonlicht en hoe hoger de temperaturen, hoe meer isopreenplanten worden uitgestoten. Het team ontdekte ook dat hoe meer stress de bladeren hadden, hoe meer isopreen ze produceerden.

Beide studies illustreerden hoe complex de invloeden op de VOS-productie van bomen zijn. Rekening houden met deze invloeden is essentieel voor het verbeteren van de gegevens die in klimaatmodellen worden gebruikt.

Uit de torenstudie bleek ook dat in bijzonder stressvolle omstandigheden, VOC's kunnen in de planten zelf reageren met zuurstof. Eerdere onderzoeken waaraan Jardine meedeed met zowel loblolly-dennennaalden als mangobladeren, tonen aan dat dit fenomeen zich uitstrekt tot buiten de Amazone. Het feit dat planten zelf secundaire producten kunnen produceren, is een andere factor waarmee modellen rekening moeten houden. In aanvulling, het wijst op het potentiële belang van VOS in planten zelf. Ze kunnen planten zelfs helpen om te gaan met omgevingsstressoren.

Wat er nodig is om een ​​secundaire organische aerosol te worden

Zodra bomen emissies in de lucht afgeven, er ontstaan ​​nog meer interacties. Welke VOS welke SOA's vormen hangt af van het niveau van de VOS, de gassen waarmee de VOS reageren, en hoeveel die met elkaar vermengen. VOC's kunnen vaak verschillende keren reageren met zuurstof en andere chemicaliën terwijl ze door de atmosfeer bewegen, elke keer produceren verschillende producten. "Het is belangrijk om te weten wat er met de VOC's en SOA's zal gebeuren wanneer ze [weg] van bronnen worden vervoerd, " zei Alla Zelenyuk-Imre, een onderzoeker bij DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Deze transformaties beïnvloeden zowel de kenmerken van de SOA's als hoe ze de wolkenvorming beïnvloeden.

Om deze reacties te onderzoeken, wetenschappers gebruiken zowel veld- als laboratoriumonderzoek. Veldstudies, zoals GoAmazon, real-world data aanbieden. Maar wetenschappers kunnen deze chemische reacties in het veld vaak niet volledig analyseren.

"De fundamentele laboratoriumstudies kunnen helpen bij het begrijpen en interpreteren van de meer complexe observatiegegevens, " zei Nga Lee "Sally" Ng, een onderzoeker bij Georgia Tech. "Zowel het lab als de veldstudies vullen elkaar echt aan."

Een onderzoek uit 2015 onder leiding van Ng breidde het inzicht van wetenschappers in de rol van isopreen bij SOA-vorming uit. Eerder, de meeste wetenschappers dachten dat de niveaus van stikstofoxiden - vaak geproduceerd door auto's, vrachtwagens, en op fossiele brandstoffen gestookte elektriciteitscentrales - bepaalde SOA-niveaus. Uit haar onderzoek bleek dat isopreen en de chemicaliën die daardoor ontstaan ​​zelfs belangrijker waren dan de stikstofoxideniveaus alleen. Het waren de complexe interacties tussen VOS (inclusief isopreen) en de stikstofoxiden die het grootste effect hadden op de eigenschappen van de SOA.

Vanaf dat moment, andere laboratoriumstudies hebben onderzocht hoe VOS interageren met een verscheidenheid aan verontreinigende stoffen uit de verbranding van fossiele brandstoffen, inclusief sulfaat en ammoniak geproduceerd door de landbouw. In beide onderzoeken de door de mens veroorzaakte emissies bedekten de biologische VOS. Dat veranderde fundamenteel zowel hoe de VOC's SOA's werden als de kenmerken van de SOA's zelf.

Met deze inzichten uit het lab, het GoAmazon-project onderzocht hoe deze interacties zich in de echte wereld afspeelden. Vooral, het onderzoeksteam groef diep in de relatie tussen de uitstoot van planten en door de mens veroorzaakte vervuiling.

Om te gaan waar de gegevens waren, ze vlogen een vliegtuig dwars door een drijvende kolom van vervuiling van de stad Manaus, die diep in de Amazone ligt. De wetenschappers ontdekten dat VOC's binnen het vervuilde gebied meerdere malen sneller en intenser met zuurstof reageerden dan daarbuiten. In aanvulling, de vervuiling heeft het proces van VOC's die in SOA's veranderen fundamenteel veranderd. Onderzoekers maten een aantal chemische verbindingen in de pluim die erbuiten afwezig waren.

Op de grond, wetenschappers bemonsterden lucht op een grote open plek omringd door regenwoud. Door omgevingslucht bloot te stellen aan hoge concentraties van de gassen die reageren met VOS in een container, ze simuleerden de resultaten van dagen of maanden aan SOA-productie. Ze ontdekten dat er vier tot vijf keer meer SOA's waren tijdens het droge seizoen dan het natte seizoen. Verrassend genoeg, ze ontdekten ook dat er aanzienlijk meer SOA's waren dan alleen VOC's konden produceren. Dat resultaat suggereert dat VOC's niet de enige gassen zijn die een belangrijke rol spelen bij de vorming van SOA - nog een andere lacune in ons begrip.

In de lucht

Dingen gaan echt van start wanneer SOA's de atmosfeer in drijven.

"Aerosolen werken als een zaadje om wolken te vormen, " zei Ng. Als er genoeg waterdamp op condenseert, ze kunnen uiteindelijk regendruppels worden.

Maar er moet nog veel gebeuren voordat het gaat regenen. SOA's grootte, waar ze van gemaakt zijn, hoe ze bewegen, en hoe lang ze in de lucht zijn, bepalen allemaal hoe goed ze water opnemen of afgeven.

In een van de GoAmazon-onderzoeken werd gekeken hoe op koolstof gebaseerde deeltjes (meestal natuurlijke) en niet op koolstof gebaseerde deeltjes (meestal door de mens gemaakt) water anders absorbeerden en afgaven. Eerdere laboratoriumstudies suggereerden dat de manier waarop deeltjes waterdamp verzamelen voornamelijk afhangt van de concentraties van verontreinigende stoffen die in wisselwerking staan ​​met SOA's. Maar in de echte wereld, het hing veel meer af van de concentraties van SOA's en andere aerosolen zelf.

Een ander GoAmazon-onderzoek leverde resultaten op die in tegenspraak waren met de algemeen aanvaarde percepties. Wetenschappers dachten niet dat de kleinste aerosolen de vorming van wolken konden beïnvloeden. Ze waren gewoon niet groot genoeg. Maar de studie wees uit dat deze kleine deeltjes stormen in de Amazone zelfs intenser kunnen maken, wolken groter, en regen meer kans om te vallen.

"Deze studie opent een nieuwe deur om te begrijpen hoe aërosolen de wolken en het weer in die warme en vochtige streken beïnvloeden, " zei Jiwen Fan, een andere PNNL-wetenschapper.

Hoewel de studie niet vaststelde of deze kleine aerosolen zich ontwikkelden uit VOC's, een vervolgonderzoek onderzoekt dit probleem. Door de kennis van wetenschappers over de effecten van SOA's op wolkenvorming uit te breiden, kunnen wetenschappers nagaan hoe weer- en klimaatsystemen in de loop van de tijd veranderen.

De verweven ecologische relaties van de Amazone, variërend van de bomen tot de wolken, blijft wetenschappers verrassen.

Zoals Jardine zei, "Kijken naar de interfaces van deze systemen is een hele uitdaging, maar het is ook waar de meeste kansen liggen."