Fem år sedan, i mars 2014, forskare tillbringade tre timmar packade ombord på ett ångande Gulfstream-1 forskningsflygplan när det sicksackade mellan orörd luft över Amazonas regnskog och förorenad luft i närheten. Det var som en resa fram och tillbaka genom tiden, som forskare vävde mellan de två vitt skilda miljöerna, luftprover som är karakteristiska för dagens industriella miljö samt prover av oförorenad luft, sådär före industriåldern.

Ett internationellt team av forskare under ledning av Pacific Northwest National Laboratorys Manish Shrivastava har analyserat några av uppgifterna och funnit att föroreningar orsakade av människor sporrar produktionen av klimatförändrande partiklar som kallas sekundära organiska aerosoler mycket mer än man tidigare trott. Teamet publicerade sina resultat i Naturkommunikation .

Fynden illustrerar hur föroreningar från bilar, kraftverk och andra källor kombineras med naturliga utsläpp från träd i Amazonas för att sporra en markant ökning av små partiklar som kan reflektera eller absorbera solljus, hjälpa till att skapa moln, ändra nederbördsmönster, och avgöra hur kol flödar mellan marken och atmosfären – allt med dramatiska effekter på vår planet.

Resultatet kommer från en forskningskampanj, känd som GOAmazon, ledd av Atmospheric Radiation Measurement Research Facility, en Department of Energy Office of Science användaranläggning. Kampanjen fokuserade på regionen nära och runt Manaus, en brasiliansk stad med mer än 2 miljoner människor som är omgiven av tropiska skogar i hundratals mil. Forskare hänvisar till det stora skogstaket runt Manaus som ett "grönt hav, " ger kampanjens namn dess första bokstäver.

Regionen erbjuder en forskningsmiljö som är svår att hitta någon annanstans på jorden. På ena sidan av en odefinierad gräns finns en rak tropisk regnskog med kristallklar luft och nivåer av 300 aerosolpartiklar per kubikcentimeter; på andra sidan är luften över Manaus, med partikelkoncentrationer 100 gånger högre på grund av mänsklig aktivitet.

"För att verkligen förstå hur föroreningar har påverkat atmosfären, vi måste jämföra dagens atmosfär med tider före den industriella tidsåldern, " sade Shrivastava. "Detta är utmanande; självklart, vi kan inte gå tillbaka i tiden. Men Amazonas är en av de få platserna på jorden där vi kan studera atmosfärisk kemi både förr och nu samtidigt."

Den där soliga dagen för fem år sedan, ARM-flygplanet vandrade från ena sidan av gränsen till den andra, flyger ungefär lika lång som en fotbollsplan varje sekund, ta luftprover från det orörda och sedan det förorenade.

"Regionen tillhandahåller ett underbart naturligt laboratorium för att förstå hur antropogena utsläpp har en inverkan på atmosfärens kemi och klimat, " sa Shrivastava.

Även om endast en liten bit av vår planet ger den unika möjligheten för denna studie, fynden gäller atmosfärisk kemi som äger rum överallt på jorden varje ögonblick.

Denna kemi ligger bakom de uppfriskande dofterna av en skogsäng eller färska blommor. När de dofterna träffar vår luktnerv, vi känner faktiskt av en rad gaser, som kolinnehållande isopren och terpener, som avges naturligt av träd och annan växtlighet. Gaserna bidrar till ozon och andra former av dis som påverkar mängden solljus som når jorden.

När dessa naturliga kolutsläpp interagerar i solljus med kväveoxid – naturligt utsläppt från jordar men också en vanlig produkt som till stor del släpps ut av mänsklig aktivitet – är ett resultat bildandet av små partiklar som kallas sekundära organiska aerosoler. Även om aerosoler är små, mycket mindre än bredden på ett människohår, de är inga småspelare när det kommer till jordens klimat. De är en viktig komponent i planetens energi- och kolkretslopp, som delvis avgör ödet för planetens enorma kolreservoar och hur det strömmar mellan landet och atmosfären.

Shrivastava och kollegor försökte lära sig hur antropogena utsläpp ökar produktionen av dessa naturligt förekommande kolpartiklar – hur omfattande effekterna av mänsklig aktivitet är för att sporra omvandlingen av gaser som skjuts ut från vegetationen till dessa kraftfulla klimatförändrande partiklar.

Teamet integrerade dessa data med andra laboratoriemätningar för att utveckla en avancerad datormodell för att simulera kemiska reaktioner som bildar partiklar i atmosfären. Modellen fungerar dubbelt, reproducerar både förindustriell och dagens kemi. De flesta modeller har till stor del skapats utifrån dagens förhållanden; Amazon-mätningarna ger information om förindustriella kemiförhållanden som förbättrade modellens prediktiva förmåga.

Teamet fann att kväveoxid som släpps ut från mänskliga aktiviteter som trafik och oljeraffinaderier främjar skapandet av dessa partiklar från naturligt skogskol mycket mer än man tidigare trott, orsakar en genomsnittlig ökning på allt från 60 till 200 procent och till och med upp till 400 procent i vissa fall. Det är jämfört med de 20 procent som tidigare uppskattats av forskare baserat på data från mer förorenade kontinentala platser.

Teamet visade också att de flesta av dessa sekundära kolhaltiga partiklar bildades av detta fenomen.

"Konsekvenserna av föroreningar i att skapa sekundära organiska aerosoler har varit mycket svåra att reta ut, " säger Shrivastava. "Våra fynd tyder på att jordens atmosfär på många kontinentala platser redan har förändrats väsentligt av mänskliga aktiviteter, och det finns en mycket större och utbredd effekt än vad som har uppskattats."

I deras tidning, Shrivastava och de andra författarna drar slutsatsen:"Våra resultat ger en tydlig bild av hur antropogena utsläpp sannolikt har kraftigt modifierat biogen SOA-bildning [sekundär organisk aerosol] sedan förindustriell tid över jorden, och antyder att snabb urbanisering under kommande år kan avsevärt förbättra biogen SOA-bildning i Amazonas orörda skogsområden."

Shrivastava är en av många forskare världen över som skapar komplexa datormodeller för att förklara atmosfären och jordsystemet. Han beskriver atmosfären som "en stor kemisk reaktor som ständigt behandlar både naturliga och mänskliga utsläpp, och i sin tur påverkar både klimatet och människors hälsa."