När han stirrade ner på Amazonas från ovan, lysande löv bildade vågor av lövverk. Vinden skvalpade genom dem, skapa virvlar och pölar av grönt. Ur denna synvinkel, vissa människor har kanske precis sett träd. Men från sin höga sittplats, Kolby Jardine, en forskare vid Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory, såg mer — skogens komplexa ekologiska kretslopp. Med utgångspunkt från utsläpp från löven till molnen högt ovanför, varje komponent påverkar alla andra.

Jardine var en del av DOE Office of Sciences "Green Ocean Amazon" eller GoAmazon-projekt, som fokuserade på att bättre förstå Amazonasbassängens vattenkretslopp. Genom att ta data på ett svajande, smal plattform högre än en 10-våningsbyggnad, Jardine hoppades kunna titta in i en del av detta system - hur tropiska löv producerar utsläpp.

"Du känner verkligen hur det är att vara ett löv i det övre taket, " han sa.

Amazonas är världens största och mest mångsidiga tropiska regnskog, som sträcker sig över nio länder. Medan mänskliga utsläpp förorenar luften under torrperioden, luften ovanför Amazonas under den våta årstiden är en av de renaste platserna på jorden.

Den kontrasten gör det till den perfekta platsen för Jardine och andra forskare att studera hur träd släpper ut utsläpp och vilka effekter dessa utsläpp har på klimatet.

Träd och andra växter producerar hundratals till tusentals flyktiga organiska föreningar (VOC). Dessa kolbaserade kemikalier avdunstar lätt från en vätska eller fast substans till luft vid mycket lägre temperaturer än de flesta kemikalier. Till exempel, din näsa känner av VOC när du luktar pinjeträd. Andra VOC är gjorda av människor, som de som producerar "nybilslukten". Medan mänskliga flyktiga organiska föreningar dominerar i stadsområden, VOC som produceras av träd spelar en stor roll i Amazonas.

Inom några minuter till timmar efter att träden släppt dem, VOC reagerar med ozon och andra kemikalier i atmosfären. De grupperar sig för att bli större föreningar eller reagerar med mänskliga utsläpp från dieselfordon eller kraftverk som förbränner fossila bränslen. I båda fallen, de bildar sekundära organiska aerosoler (SOA), fasta eller flytande partiklar suspenderade i gas.

Från att bilda smog till att påverka molnbildning, SOA driver ett antal atmosfäriska och klimatiska processer. Samspelet mellan aerosoler, VOC, och andra biologiska utsläpp skapar en av de största osäkerheterna i klimatmodeller. Institutionen för energis vetenskapskontor stödjer forskning om VOC från träd och de SOA som de bildar.

Den stora effekten av små partiklar

För föreningar som ofta varar mindre än två timmar innan de reagerar med något annat, VOC har stor inverkan. Det är särskilt sant i tropikerna, där 30 till 50 procent av träden avger VOC. Via SOA förvandlas de till, VOC påverkar väder och klimat på två stora sätt.

Först, SOA utgör en stor del av de små partiklarna i atmosfären. De påverkar hur mycket solljus atmosfären absorberar eller sprider, och därmed mängden ljus och värme som når jordens yta.

Andra, vattenånga kondenserar på SOA. Ibland, partikeln samlar tillräckligt med vatten för att bli en molndroppe. Om den fortsätter att växa, det kan bli en regndroppe som faller till jorden. GoAmazon-projektet tacklade utmaningen att samla in data om VOC, Så som, och deras inverkan på vädret. GoAmazon-teamet tog data från januari 2014 till december 2015 med hjälp av Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, en Office of Science-användaranläggning.

Vad händer när ett träd andas?

För att kartlägga de biologiska VOC:s roll i regnskogen, forskare måste förstå hur och varför träd producerar dem. Det är lättare sagt än gjort.

Antalet faktorer som bestämmer VOC-produktionen är häpnadsväckande. Säsongen, trädslag, bladålder, koldioxidkoncentration i luften runt trädet, ljus, och temperatur är bara några. Dessutom, växter frigör inte bara VOC; vissa tar till och med in vissa VOC.

En annan utmaning är helt enkelt att ta data i och ovanför trädkronorna. Ett av forskarnas främsta sätt att prova luft är att flyga anpassade plan fyllda med komplexa instrument rakt över taket.

Till skillnad från modeller, "De flygplansbaserade mätningarna ger [data om] den verkliga atmosfären, sa Jian Wang, en vetenskapsman vid DOE:s Brookhaven National Laboratory.

För att förstå nivåerna av isopren (en viktig VOC) precis ovanför baldakinen, GoAmazon-teamet körde åtta olika forskningsflygningar under både den våta och torra årstiden. Deras data visade att isoprenutsläppen var tre gånger högre än satellitdata hade avslöjat och 35 procent högre än modellerna förutspått. Särskilt, de fann att varken modeller eller satelliter tog hänsyn till olika höjder eller mångfalden av växtarter i Amazonas.

"Vi måste veta vilka spelarna är och vilka deras källor är, sa Jardine.

Jardine och hans team hade ett komplementärt tillvägagångssätt – de satt uppe i dagar i sträck på toppen av ett smalt torn som reste sig ur djungeln. Efter att ha vandrat genom skogen före soluppgången, de tog prov på gaser från olika nivåer i tornet var tionde minut. De analyserade sedan innehållet med hjälp av ett specialiserat instrument som använder kemikaliernas massor för att identifiera dem.

Spåra skillnaderna, de fann att träd producerade mycket mer isopren under dagen än på natten och under torrperioden än den våta. Ju mer solljus och högre temperaturer, ju mer isoprenväxter släpps ut. Teamet fann också att ju mer stress löven var under, desto mer isopren producerade de.

Båda studierna visade hur komplex påverkan på trädens VOC-produktion är. Att ta hänsyn till dessa influenser är väsentligt för att förbättra data som används i klimatmodeller.

Tornstudien fann också att under särskilt stressiga omständigheter, VOC kan reagera med syre inuti växterna själva. Tidigare studier som Jardine deltagit i med både loblolly barr och mangoblad visar att detta fenomen sträcker sig utanför Amazonas. Det faktum att växter kan producera sekundära produkter själva är en annan faktor som modeller måste ta med. Dessutom, det pekar på den potentiella betydelsen av flyktiga organiska föreningar i själva anläggningarna. De kan faktiskt hjälpa växter att hantera miljöstressorer.

Vad som krävs för att bli en sekundär organisk aerosol

När träd släpper ut utsläpp till luften, ännu fler interaktioner uppstår. Vilka VOC bildar vilka SOA beror på nivån på VOC, de gaser som VOC reagerar med, och hur mycket de blandas ihop. VOC kan ofta reagera med syre och andra kemikalier flera olika gånger när de rör sig genom atmosfären, varje gång producera olika produkter. "Det är viktigt att veta vad som kommer att hända med VOC och SOA när de transporteras [bort] från källor, " sade Alla Zelenyuk-Imre, en forskare vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Dessa transformationer påverkar både SOA:s egenskaper och hur de påverkar molnbildningen.

För att undersöka dessa reaktioner, forskare använder både fält- och laboratoriestudier. Fält studier, som GoAmazon, erbjuda verklig data. Men forskare kan ofta inte helt analysera dessa kemiska reaktioner på fältet.

"De grundläggande laboratoriestudierna kan hjälpa till att förstå och tolka de mer komplexa observationsdata, " sa Nga Lee "Sally" Ng, en forskare vid Georgia Tech. "Både labbet och fältstudierna kompletterar verkligen varandra."

En studie från 2015 ledd av Ng utökade forskarnas förståelse av isoprens roll i SOA-bildning. Tidigare, de flesta forskare trodde att nivåerna av kväveoxider – ofta producerade av bilar, lastbilar, och kraftverk som förbränner fossila bränslen – bestämda SOA-nivåer. Hennes studie fann att isopren och de kemikalier som bildas som ett resultat av det var ännu viktigare än enbart kväveoxidnivåerna. Det var de komplexa interaktionerna mellan VOC (inklusive isopren) och kväveoxiderna som hade den största effekten av alla på SOA:s egenskaper.

Sedan dess, andra laboratoriestudier har undersökt hur VOC interagerar med en mängd olika föroreningar från förbränning av fossila bränslen, inklusive sulfat och ammoniak som produceras av jordbruket. I båda studierna, de mänskliga utsläppen täckte de biologiska VOC. Det förändrade i grunden både hur VOC blev SOA och SOAs egenskaper i sig.

Med dessa insikter från labbet, GoAmazon-projektet undersökte hur dessa interaktioner utspelade sig i den verkliga världen. Särskilt, forskargruppen grävde djupt i sambandet mellan växternas utsläpp och mänskliga föroreningar.

För att gå dit data var, de flög ett plan rakt igenom en flytande kolonn av föroreningar från staden Manaus, som ligger djupt inne i Amazonas. Forskarna fann att VOC reagerade med syre flera gånger snabbare och mer intensivt i det förorenade området än utanför det. Dessutom, föroreningarna förändrade i grunden processen med att VOC förvandlades till SOA. Forskare mätte ett antal kemiska föreningar inuti plymen som saknades utanför den.

På marken, forskare tog luftprov i en stor glänta omgiven av regnskog. Genom att utsätta omgivande luft för höga koncentrationer av de gaser som reagerar med VOC i en behållare, de simulerade resultaten av dagars eller månaders SOA-produktion. De fann att det fanns fyra till fem gånger fler SOA under torrperioden än den våta. Förvånande, de fann också att det fanns betydligt fler SOA än VOC enbart kunde producera. Det resultatet tyder på att VOC inte är de enda gaserna som spelar en viktig roll i SOA-bildningen - ännu en lucka i vår förståelse.

Uppe i luften

Saker och ting tar verkligen fart när SOA driver upp i atmosfären.

"Aerosoler fungerar som ett frö för att bilda moln, " sa Ng. Om tillräckligt med vattenånga kondenserar på dem, de kan så småningom bli regndroppar.

Men mycket ska hända innan det regnar. SOAs storlek, vad de är gjorda av, hur de rör sig, och hur länge de har varit i luften bestämmer hur väl de absorberar eller släpper ut vatten.

En av GoAmazon-studierna tittade på hur kolbaserade partiklar (mestadels naturliga) och icke-kolbaserade partiklar (mest gjorda av människan) absorberade och släppte vatten på olika sätt. Tidigare labbstudier antydde att hur partiklar samlar vattenånga beror mest på koncentrationerna av föroreningar som interagerar med SOA. Men i den verkliga världen, det berodde mycket mer på koncentrationerna av SOA och andra aerosoler i sig.

En annan GoAmazon-studie gav resultat som stred mot vanliga uppfattningar. Forskare trodde inte att de minsta aerosolerna kunde påverka molnbildningen. De var helt enkelt inte tillräckligt stora. Men studien fann att dessa små partiklar faktiskt kan göra stormar i Amazonas mer intensiva, större moln, och det är mer sannolikt att regn faller.

"Denna studie öppnar en ny dörr för att förstå hur aerosoler påverkar moln och väder i de varma och fuktiga områdena, " sa Jiwen Fan, en annan PNNL-forskare.

Även om studien inte avgjorde om dessa små aerosoler utvecklades från VOC, en uppföljande studie tittar på denna fråga. Att utöka forskarnas kunskap om SOA:s effekter på molnbildning hjälper forskarna att spåra hur väder- och klimatsystem förändras över tiden.

Amazonas sammanflätade ekologiska relationer, allt från träden till molnen, fortsätter att överraska forskarna.

Som Jardine sa, "Att titta på gränssnitten för dessa system är mycket utmanande, men det är också där de flesta möjligheter finns."