Een onderzoek door een internationaal team van onderzoekers, waaronder Braziliaanse wetenschappers, toont aan dat stedelijke vervuiling uit Manaus, de hoofdstad van de staat Amazonas in Brazilië, verhoogt de vorming van aerosolen via het Amazone-regenwoud veel meer dan verwacht.

Deze sterke toename van aerosolen die door het bos worden geproduceerd, heeft een aanzienlijke impact op de belangrijkste oorzaken van de wereldwijde klimaatverandering, zoals radioactieve balans, productie van wolken en regen, en de snelheid van de fotosynthese van planten. Waar stedelijke vervuiling het bos niet aantast, organische aerosolen worden geproduceerd door de bodem in de regio, maar in veel kleinere hoeveelheden, volgens de studie.

Vergelijkbaar onderzoek met betrekking tot boreale bossen, die werden gebruikt als basis voor wereldwijde klimaatmodellering, hebben een maximale toename van de niveaus van secundaire organische aerosolen van 60 procent laten zien als gevolg van vervuiling door nabijgelegen steden.

"Voor de eerste keer, we waren in staat om aërosolniveaus in de Amazone te modelleren en te voorspellen. Het is bekend dat klimaatmodellen gebaseerd op het noordelijk halfrond niet van toepassing zijn op het Amazone-regenwoud. We realiseerden ons dat de cijfers uit andere onderzoeken niet klopten. De resultaten van deze nieuwe studie zullen daarom meteorologische modellen nauwkeuriger maken en zowel regionale als mondiale klimaatmodellering verfijnen, " zei gepubliceerd in Natuurcommunicatie , stedelijke vervuiling resulteert in een gemiddelde toename van 200 procent in de vorming van secundaire organische aerosolen, met pieken tot 400 procent. FAPESP ondersteunde de studie als onderdeel van het Green Ocean Amazon Experiment en een thematisch project gekoppeld aan het Research Program on Global Climate Change.

Paulo Artaxo, hoogleraar aan het Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IF-USP) en een van de auteurs van het artikel, zegt dat de volgende stap is om tropische aërosolchemie op te nemen in wereldwijde klimaatmodellen, zoals die gebruikt door het Intergouvernementeel Panel van de VN voor klimaatverandering (IPCC), bijvoorbeeld, zodat ze de hydrologische cycli in de Amazone nauwkeuriger kunnen voorspellen en veranderingen in regenpatronen in het hele tropische gebied van de aarde kunnen detecteren.

kleine wijziging, grote impact

Een aerosol is een suspensie van fijne vaste deeltjes of vloeistofdruppels in de lucht. Primaire aerosolen worden van nature geproduceerd door bossen, bestaande uit stof, stuifmeel, as en koolstofdeeltjes van bosbranden, bijvoorbeeld. Secundaire aerosolen worden in de atmosfeer gevormd door de chemische reacties van primaire aerosolen en gasvormige voorlopers of vluchtige organische stoffen (VOS) die worden uitgestoten door bossen en menselijke activiteiten, zoals het verbranden van fossiele brandstoffen.

De toename tot 400 procent in secundaire organische aerosolen als gevolg van de vervuilingspluim van Manaus heeft een aanzienlijk effect op het milieu. Deze aerosolen spelen een belangrijke rol bij de absorptie van zonnestraling door de atmosfeer om regenwolken te vormen, onder andere.

De Manaus-pluim bevat een hoog gehalte aan ozon (O3), stikstofoxide, zwaveldioxide (SO2) en hydroxylradicalen (OH). "Wanneer niveaus van zwavel- en stikstofverbindingen van stedelijke vervuiling zich ophopen in de atmosfeer, biogene dampen in het bos worden veel sneller geoxideerd, veel nieuwe aerosolen vormen - veel meer dan het geval zou zijn als het proces puur natuurlijk zou zijn, " zei Henrique Barbosa, ook een professor bij IF-USP en een co-auteur van het artikel.

In dit onderzoek, de internationale onderzoeksgroep analyseerde de gevolgen van deze veranderingen observationeel en experimenteel met behulp van wiskundige modellen. Ze voerden ook computersimulaties uit over de vorming van deze grote hoeveelheid aerosolen, het identificeren van de processen die verband houden met hun oorsprong en de chemische mechanismen die ontbreken in de gebruikte modellen.

"Het Amazonegebied is meestal vrij ongerept en vrij van vervuiling. Een kleine toename van stikstofverbindingen, bijvoorbeeld, veroorzaakt een enorme stijging van de aërosolniveaus in bossen, Barbosa zei. "De verstoring veroorzaakt door antropogene emissies is zeer gewelddadig en beïnvloedt het klimaat in de regio, het hydrologische systeem en het mondiale klimaat."

De sterkste impact van deze verandering is op de wolkenvorming in de Amazone. "We zagen hoe hoge niveaus van ultrafijne aerosolen in de wolken de snelheid van de opstijgende lucht veranderen, de wolken krachtiger maken met meer neerslag, " hij voegde toe.

Fotosynthese

Ook de hoeveelheid aerosolen heeft een sterke invloed op de fotosynthese via het bos, die afhankelijk is van zonnestraling om koolstofniveaus vast te stellen. “We merkten dat tot op zekere hoogte, de stijging van de niveaus van secundaire aerosolen maakt de fotosynthese efficiënter. Vervolgens, de reacties verlopen langzamer, ' zei Barbosa.

Hij legde uit dat dit gebeurt door de interactie tussen aerosolen en zonnestraling. De aerosolen circuleren vrij in de lucht en veranderen de hoeveelheid van zowel directe (zonlicht dat schaduw creëert) als diffuse straling die het bos ontvangt.

Diffuse straling in het bos dringt dieper door in de vegetatie, van het bladerdak tot aan de onderste bladeren, zodat planten het kunnen gebruiken voor fotosynthese. Directe straling bereikt alleen de hoogste bladeren, en van daaruit naar beneden, het creëert schaduw.

"Als het aerosolgehalte in de atmosfeer stijgt, fotosynthese neemt toe, maar als deze niveaus excessief worden, ze belemmeren de fotosynthese. uiteindelijk, het maakt niet uit of de diffuse straling toeneemt, omdat de aerosolen het zonlicht blokkeren, en de planten kunnen niet veel koolstof gebruiken, ' zei Barbosa.

isopreen

Volgens onderzoekers, het onderzoek toont aan dat tropische bossen aanzienlijk dynamischer zijn dan aanvankelijk werd gedacht. "De toename van aerosolen veroorzaakt door vervuiling is veel groter in tropische bossen [400 procent] dan in boreale bossen [60 procent]. Dit komt door verschillende emissie- en oxidatiemechanismen, evenals de aanwezigheid van isopreen alleen in tropische bossen, ' zei Artaxo.

Isopreen is een type VOS dat van nature wordt uitgestoten door vegetatie in tropische bossen als onderdeel van het metabolisme van vegetatie. Isopreen wordt in grote hoeveelheden uitgestoten door het Amazone-regenwoud en heeft een korte halfwaardetijd in de atmosfeer, waar het wordt omgezet in aerosoldeeltjes. "De transformatie van isopreen in deeltjes wordt enorm versneld door de aanwezigheid van vervuiling uit Manaus, vooral stikstofoxide-emissies, ' zei Artaxo.

In boreale bossen, er zijn geen isopreenemissies, hoewel deze bossen lage niveaus van terpeen (een andere VOS) uitstoten. Echter, de atmosferische chemie van dit gas is heel anders dan die van isopreen.

"Dit maakt de uitstoot van tropische bossen de sleutel tot de productie van deeltjes en de vorming van ozon, met een chemie die onbekend was vóór het GOAmazon-experiment, " zei Artaxo. "Nu we de chemische mechanismen kennen, we kunnen ze opnemen in wereldwijde klimaatmodellen om ons begrip van de rol van tropische bossen in het klimaat van de planeet te vergroten."

Hij voegde eraan toe dat de toename van secundaire organische aerosolen niet alleen wordt geassocieerd met stedelijke vervuiling, zoals voertuigemissies. Dit kan ook te wijten zijn aan andere activiteiten die stikstofoxide produceren, zoals bosbranden en het gebruik van generatoren in kleine steden in het Amazonegebied.

"We ontdekten dat stikstofoxide de katalysator is voor secundaire organische aërosolvorming. Als deze verbinding aanwezig is in vervuiling, ongeacht de oorzaak of oorsprong, de productie van deeltjes zal toenemen, ' zei Artaxo.

Meer nauwkeurigheid

De meeste klimaatmodellen zijn momenteel gebaseerd op gegevens en processen die typerend zijn voor het noordelijk halfrond. In het geval van secundaire organische aerosolen en hun effecten, de modellen geven de omstandigheden in tropische bossen niet nauwkeurig weer, zoals de Amazone.

Om een ​​nieuw model te produceren inclusief data voor de Amazone, de onderzoekers gebruikten metingen van vliegtuigen die eigendom zijn van het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE), gegevens die aan de oppervlakte zijn verkregen door een aantal bemonsteringsstations, en geavanceerde computersoftware die atmosferische chemie en meteorologie op regionale schaal simuleerde om correlaties tussen het weer en chemische processen in de atmosfeer boven dit bos te detecteren.

Deze aanpak stelde de onderzoekers in staat om de gegevens over de betrokken chemische reacties te gebruiken om het WRF-Chem-model te kalibreren, een bestaand model dat atmosferische dynamiek en chemie koppelt, zodat ze de verspreiding van de vervuilingspluim van Manaus en extra aerosolproductie konden simuleren als gevolg van de interactie tussen deze vervuilingsepisode en natuurlijke (biogene) emissies uit het bos.

De volgende stap zal zijn om deze processen te integreren in wereldwijde klimaatmodellen om weersvoorspellingen op lange termijn en projecties van regenval en deeltjesvorming te verbeteren en tegelijkertijd het inzicht van wetenschappers in de rol van tropische bossen bij klimaatverandering te vergroten.