Under några veckor under sommaren 2011, team av forskare från hela världen samlades på en liten lapp av ponderosa tallskog i Colorado för att utföra en av de mest detaljerade, utökad undersökning av atmosfärisk kemi som någonsin försökt på ett ställe, i många fall med hjälp av nya mätinstrument skapade speciellt för detta projekt. Nu, efter år av analys, deras omfattande syntes av resultaten har släppts i veckan.

Lagen, som inkluderade en grupp från MIT som använder en nyutvecklad enhet för att identifiera och kvantifiera kolföreningar, rapporterade sina sammanlagda resultat i ett papper i tidningen Naturgeovetenskap . Jesse Kroll, MIT docent i civil- och miljöteknik och kemiteknik, och James Hunter, en teknisk instruktör vid MIT vid Institutionen för materialvetenskap och teknik som var doktorand i Krolls grupp vid tidpunkten för forskningen, var seniorförfattare och huvudförfattare, respektive, av de 24 bidragsgivarna till rapporten. Docent Colette Heald vid institutionen för samhälls- och miljöteknik var också medförfattare.

De organiska (kolhaltiga) föreningarna som de studerade i den lappen av Colorado-skogen spelar en nyckelroll i atmosfäriska kemiska processer som kan påverka luftkvaliteten, ekosystemets hälsa, och klimatet i sig. Men många av dessa processer förblir dåligt förstådda i sin verkliga komplexitet, och de hade aldrig provats så noggrant studerat, och kvantifierat på ett ställe tidigare.

"Målet var att försöka förstå kemin i samband med organiskt partikelformigt material i en skogsmiljö, "Kroll förklarar." De olika grupperna tog många olika mätningar med hjälp av toppmoderna instrument som vi alla hade utvecklat. "Genom att göra det, de kunde fylla i betydande luckor i inventeringen av organiska föreningar i atmosfären, fann att ungefär en tredjedel av dem var i form av tidigare omättade halvflyktiga och mellanliggande flyktiga organiska föreningar (SVOC och IVOC).

"Vi har länge misstänkt att det fanns luckor i våra mätningar av kol i atmosfären, "Kroll säger." Det verkade finnas fler aerosoler än vi kan förklara genom att mäta deras prekursorer. "

MIT -teamet, liksom några av de andra forskargrupperna, utvecklat instrument som specifikt riktade sig mot dessa svårmätbara föreningar, som Kroll beskriver som "fortfarande i gasfasen, men klibbig. "Deras klibbighet gör det svårt att få dem genom ett inlopp till en mätanordning, men dessa föreningar kan spela en betydande roll i bildandet och förändringen av aerosoler, små luftburna partiklar som kan bidra till rök eller till kärnbildning av regndroppar eller iskristaller, påverkar jordens klimat.

"Några av dessa instrument användes för första gången i denna kampanj, "Säger Kroll. När man analyserar resultaten, som gav oöverträffade mätningar av SVOC och IVOC, "vi insåg att vi hade den här datamängden som gav mycket mer information om organiska föreningar än vi någonsin haft tidigare. Genom att sammanföra data från alla dessa instrument till en kombinerad dataset, vi kunde beskriva de organiska föreningarna i atmosfären på ett mer omfattande sätt än någonsin varit möjligt, för att ta reda på vad som verkligen händer. "

Det är en mer komplicerad utmaning än det kan tyckas, forskarna påpekar. Ett mycket stort antal olika organiska föreningar släpps ständigt ut från träd och annan vegetation, som varierar i deras kemiska sammansättning, deras fysiska egenskaper, och deras förmåga att reagera kemiskt med andra föreningar. Så snart de kommer ut i luften börjar många av föreningarna oxidera, vilket exponentiellt ökar deras antal och mångfald.

Samarbetskampanjen för att karakterisera mängderna och reaktionerna av dessa olika föreningar ägde rum i en del av Manitou Experimental Forest Observatory i Rocky Mountains i Colorado. Fem olika instrument användes för att samla in data om organiska föreningar, och tre av dem hade aldrig använts tidigare.

Trots framstegen, mycket återstår att göra, säger forskarna. Medan fältmätningarna gav en detaljerad profil över mängderna av olika föreningar över tid, den kunde inte identifiera de specifika reaktionerna och vägarna som förvandlade en uppsättning föreningar till en annan. Den typen av analys kräver en direkt undersökning av reaktionerna i en kontrollerad laboratoriemiljö, och den typen av arbete pågår, i Krolls MIT -lab och på andra håll.

Genom att fylla i alla dessa detaljer kommer det att bli möjligt att förfina noggrannheten i atmosfäriska modeller och hjälpa till att bedöma sådant som strategier för att mildra specifika luftföroreningar, från ozon till partiklar, eller att bedöma källor och avlägsnande mekanismer för atmosfäriska komponenter som påverkar jordens klimat.