Nieuw onderzoek door Glenn Wolfe en medewerkers van UMBC geeft vorm aan hoe wetenschappers het lot van methaan begrijpen, een krachtig broeikasgas, in de atmosfeer van de aarde.

Van de broeikasgassen, methaan heeft het op twee na grootste algemene effect op het klimaat, na koolstofdioxide en waterdamp. En hoe langer het in de atmosfeer blijft, hoe meer warmte het vasthoudt. Daarom is het essentieel dat klimaatmodellen goed weergeven hoe lang methaan meegaat voordat het wordt afgebroken. Dat gebeurt wanneer een methaanmolecuul reageert met een hydroxylradicaal - een zuurstofatoom gebonden aan een waterstofatoom, weergegeven als OH - in een proces dat oxidatie wordt genoemd. Hydroxylradicalen vernietigen ook andere gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen.

"OH is echt het meest centrale oxidatiemiddel in de lagere atmosfeer. Het regelt de levensduur van bijna elk reactief gas, " legt Wolfe uit, een assistent-onderzoeksprofessor bij het Joint Center for Earth Systems Technology van UMBC. Echter, "wereldwijd, we hebben geen manier om OH direct te meten." Meer dan dat, het is algemeen bekend dat de huidige klimaatmodellen moeite hebben om OH nauwkeurig te simuleren. Met bestaande methoden, wetenschappers kunnen OH op grove schaal afleiden, maar er is weinig informatie over waar, wanneer, en waarom van variaties in OH.

Nieuw onderzoek gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences en geleid door Wolfe zet wetenschappers op het pad om dat te veranderen. Wolfe en collega's hebben een unieke manier ontwikkeld om af te leiden hoe de wereldwijde OH-concentraties in de loop van de tijd en in verschillende regio's variëren. Een beter begrip van OH-niveaus kan wetenschappers helpen begrijpen hoeveel van de ups en downs in de wereldwijde methaanniveaus te wijten zijn aan veranderende emissies, zoals uit de productie van olie en aardgas of wetlands, versus wordt veroorzaakt door veranderende niveaus van OH.

Een vliegend laboratorium

NASA-satellieten meten al meer dan 15 jaar atmosferische formaldehydeconcentraties. Wolfe's nieuwe onderzoek is gebaseerd op die gegevens, plus nieuwe waarnemingen verzameld tijdens NASA's recente Atmospheric Tomography (ATom) -missie. Atom heeft vier rond-de-wereld circuits gevlogen, luchtmonsters nemen met behulp van een NASA-onderzoeksvliegtuig.

Dit "vliegende laboratorium, " zoals Wolfe het beschrijft, verzamelde gegevens over atmosferische formaldehyde- en OH-niveaus die een opmerkelijk eenvoudige relatie tussen de twee gassen illustreren. Dit verbaasde de wetenschappers niet, omdat formaldehyde een belangrijk bijproduct is van methaanoxidatie, maar deze studie biedt de eerste concrete observatie van de correlatie tussen formaldehyde en OH. De bevindingen toonden ook aan dat de formaldehydeconcentraties die het vliegtuig heeft gemeten, consistent zijn met die gemeten door de satellieten. Dat stelt Wolfe's team en anderen in staat om bestaande satellietgegevens te gebruiken om OH-niveaus in het grootste deel van de atmosfeer af te leiden.

"Dus de luchtmetingen geven je een grondwaarheid dat die relatie bestaat, "Wolf zegt, "en met de satellietmetingen kun je die relatie over de hele wereld uitbreiden."

Wolf, echter, is de eerste die erkent dat het werk om mondiale modellen te verbeteren nog lang niet klaar is. Het vliegtuig heeft OH- en formaldehydeniveaus gemeten boven de open oceaan, waar de luchtchemie relatief eenvoudig is. Het zou ingewikkelder zijn boven een bos, en nog meer over een stad.

Hoewel de relatie die de onderzoekers hebben vastgesteld een solide basislijn biedt, zoals de meeste aardse lucht doet, inderdaad, zweven boven oceanen, er is meer werk nodig om te zien hoe OH-niveaus verschillen in complexere omgevingen. Mogelijk, verschillende gegevens van bestaande NASA-satellieten, zoals die welke emissies volgen uit stedelijke gebieden of bosbranden, zou kunnen helpen.

Wolfe hoopt dit werk te blijven verfijnen, waarvan hij zegt dat het "de nexus is van de chemie- en klimaatonderzoeksgemeenschappen. En ze zijn erg geïnteresseerd om OH goed te krijgen."

Om het goed te krijgen

De huidige studie hield rekening met seizoensvariaties in OH, door metingen van februari en augustus te analyseren. "De seizoensgebondenheid is een aspect van deze studie dat belangrijk is, "Wolf zegt, "omdat de breedtegraad waar OH maximaal is, beweegt." Gezien seizoensverschuivingen in OH-concentraties, of zelfs meerjarige verschuivingen veroorzaakt door fenomenen als El Niño en La Niña, zou een invalshoek kunnen zijn om te onderzoeken bij het verbeteren van mondiale klimaatmodellen.

Verder kijken naar OH-niveaus op wereldschaal met behulp van satellietgegevens die zijn gevalideerd door vliegtuiggegevens, kan wetenschappers ook helpen hun modellen te verfijnen. "Je kunt de ruimtelijke variabiliteit en de seizoensgebondenheid gebruiken om op procesniveau te begrijpen wat OH drijft, en vraag dan of het model dat goed begrijpt of niet, " zegt Wolfe. "Het idee is om in al deze functies te kunnen prikken, waar we nog niet echt gegevens hadden om dat mee te doen."

Dit nieuwe onderzoek is een stap op weg naar een beter begrip van het mondiale klimaat, ook al verandert het snel. Nauwkeuriger begrijpen hoe, bijvoorbeeld, het verminderen van methaanemissies zou het klimaat beïnvloeden, en hoe snel, zelfs beleidsbeslissingen kunnen beïnvloeden.

"Het is niet perfect. Het heeft werk nodig, " zegt Wolfe. "Maar het potentieel is er."