Vijf jaar geleden, in maart 2014, onderzoekers brachten drie uur door aan boord van een stomend Gulfstream-1-onderzoeksvliegtuig terwijl het zigzagde tussen ongerepte lucht boven het Amazone-regenwoud en vervuilde lucht in de buurt. Het was als een reis heen en weer door de tijd, terwijl wetenschappers tussen de twee enorm verschillende instellingen weefden, haperende luchtmonsters die kenmerkend zijn voor de huidige industriële omgeving, evenals monsters van niet-verontreinigde lucht, zo voor het industriële tijdperk.

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van Manish Shrivastava van het Pacific Northwest National Laboratory heeft enkele gegevens geanalyseerd en ontdekte dat door de mens veroorzaakte vervuiling de productie van klimaatveranderende deeltjes, bekend als secundaire organische aerosolen, veel meer stimuleert dan eerder werd gedacht. Het team publiceerde zijn resultaten in Natuurcommunicatie .

De bevindingen illustreren hoe vervuiling door auto's, energiecentrales en andere bronnen, gecombineerd met natuurlijke emissies van bomen in de Amazone, zorgen voor een duidelijke toename van kleine deeltjes die zonlicht kunnen weerkaatsen of absorberen, helpen wolken te creëren, verander regenpatronen, en bepalen hoe koolstof tussen het land en de atmosfeer stroomt - allemaal met dramatische effecten op onze planeet.

Het resultaat is afkomstig van een onderzoekscampagne, bekend als GOAmazon, geleid door de Atmospheric Radiation Measurement Research Facility, een Department of Energy Office of Science gebruikersfaciliteit. De campagne richtte zich op de regio bij en rond Manaus, een Braziliaanse stad met meer dan 2 miljoen inwoners die honderden kilometers wordt omringd door tropische bossen. Wetenschappers verwijzen naar het uitgestrekte bladerdak rond Manaus als een "Groene Oceaan, " de naam van de campagne zijn eerste letters geven.

De regio biedt een onderzoeksomgeving die je nergens anders op aarde vindt. Aan de ene kant van een ongedefinieerde grens is een recht omhoog tropisch regenwoud met kristalheldere lucht en niveaus van 300 aerosoldeeltjes per kubieke centimeter; aan de andere kant is de lucht boven Manaus, met deeltjesconcentraties die 100 keer hoger zijn als gevolg van menselijke activiteit.

"Om echt te begrijpen hoe vervuiling de atmosfeer heeft beïnvloed, we moeten de atmosfeer van vandaag vergelijken met die van vóór het industriële tijdperk, " zei Shrivastava. "Dit is een uitdaging; natuurlijk, we kunnen niet terug in de tijd. Maar de Amazone is een van de weinige plekken op aarde waar we atmosferische chemie zowel in het verleden als in het heden tegelijk kunnen bestuderen."

Op die zonnige dag vijf jaar geleden, het ARM-vliegtuig kuierde van de ene kant van de grens naar de andere, elke seconde over de lengte van een voetbalveld vliegen, luchtmonsters nemen van het ongerepte en vervolgens van het vervuilde.

"De regio biedt een prachtig natuurlijk laboratorium om te begrijpen hoe antropogene emissies een impact hebben op de atmosferische chemie en het klimaat, ' zei Shrivastava.

Hoewel slechts een klein stukje van onze planeet de unieke kans biedt voor deze studie, de bevindingen zijn van toepassing op atmosferische chemie die elk moment overal op aarde plaatsvindt.

Deze chemie zit achter de verfrissende geuren van een bosweide of verse bloemen. Wanneer die geuren onze reukzenuw raken, we voelen eigenlijk een reeks gassen, zoals koolstofhoudend isopreen en terpenen, die op natuurlijke wijze worden afgegeven door bomen en andere vegetatie. De gassen dragen bij aan ozon en andere vormen van nevel die invloed hebben op de hoeveelheid zonlicht die de aarde bereikt.

Wanneer deze natuurlijke koolstofemissies in zonlicht een wisselwerking hebben met stikstofoxide - van nature uitgestoten door de bodem maar ook een veelvoorkomend product dat grotendeels wordt uitgestoten door menselijke activiteit - is een resultaat de vorming van minuscule deeltjes die bekend staan ​​als secundaire organische aerosolen. Hoewel aerosolen klein zijn, veel kleiner dan de breedte van een mensenhaar, ze zijn geen beetje spelers als het gaat om het klimaat op aarde. Ze zijn een belangrijk onderdeel van de energie- en koolstofcycli van de planeet, mede bepalend voor het lot van het enorme koolstofreservoir van de planeet en hoe het tussen het land en de atmosfeer stroomt.

Shrivastava en collega's probeerden te leren hoe antropogene emissies de productie van deze natuurlijk voorkomende koolstofdeeltjes verhogen - hoe uitgebreid de effecten van menselijke activiteit zijn bij het stimuleren van de transformatie van gassen die uit de vegetatie worden uitgestoten naar deze krachtige klimaatveranderende deeltjes.

Het team integreerde deze gegevens met andere laboratoriummetingen om een ​​geavanceerd computermodel te ontwikkelen om chemische reacties te simuleren die deeltjes in de atmosfeer vormen. Het model doet dubbel werk, het reproduceren van zowel pre-industriële als hedendaagse chemie. De meeste modellen zijn grotendeels gemaakt op basis van de huidige omstandigheden; de Amazon-metingen geven informatie over pre-industriële chemische omstandigheden die de voorspellende capaciteiten van het model verbeterden.

Het team ontdekte dat stikstofoxide dat wordt uitgestoten door menselijke activiteiten zoals verkeer en olieraffinaderijen, de aanmaak van deze deeltjes uit natuurlijke boskoolstof veel meer bevordert dan eerder werd gedacht, Dit veroorzaakt een gemiddelde stijging van 60 tot 200 procent en in sommige gevallen zelfs tot 400 procent. Dat is vergeleken met de 20 procent die eerder door wetenschappers werd geschat op basis van gegevens op meer vervuilde continentale locaties.

Het team toonde ook aan dat de meeste van deze secundaire koolstofhoudende deeltjes door dit fenomeen werden gevormd.

"De impact van vervuiling bij het creëren van secundaire organische aerosolen is erg moeilijk te achterhalen, " zegt Shrivastava. "Onze bevindingen wijzen erop dat de atmosfeer van de aarde op veel continentale locaties al aanzienlijk is veranderd door menselijke activiteiten, en er is een veel grotere en wijdverbreide impact dan werd gewaardeerd."

In hun krant Shrivastava en de andere auteurs concluderen:"Onze resultaten geven een duidelijk beeld van hoe antropogene emissies waarschijnlijk de vorming van biogene SOA [secundaire organische aerosol] sinds pre-industriële tijden over de aarde sterk hebben gewijzigd, en impliceren dat snelle verstedelijking in de komende jaren de biogene SOA-vorming in de ongerepte beboste gebieden van de Amazone aanzienlijk kan verbeteren."

Shrivastava is een van de vele wetenschappers over de hele wereld die complexe computermodellen maken om de atmosfeer en het aardsysteem te verklaren. Hij beschrijft de atmosfeer als "een grote chemische reactor die constant zowel natuurlijke als menselijke emissies verwerkt, en beïnvloedt op zijn beurt zowel het klimaat als de menselijke gezondheid."