En studie av ett internationellt team av forskare, inklusive brasilianska forskare, visar att stadsföroreningar från Manaus, huvudstaden i delstaten Amazonas i Brasilien, ökar bildningen av aerosoler via Amazonas regnskog mycket mer än väntat.

Denna kraftiga ökning av aerosoler som produceras av skogen har en betydande inverkan på nyckelfaktorerna bakom globala klimatförändringar, såsom radioaktiv balans, produktion av moln och regn, och växternas fotosynteshastighet. Där stadsföroreningar inte påverkar skogen, organiska aerosoler produceras av marken i regionen, men i mycket mindre mängder, enligt studien.

Liknande forskning om boreala skogar, som användes som grund för global klimatmodellering, har visat en maximal ökning av nivåerna av sekundära organiska aerosoler på 60 procent på grund av föroreningar från närliggande städer.

"För första gången, vi kunde modellera och förutsäga aerosolnivåer i Amazonas. Klimatmodeller baserade på norra halvklotet är kända för att inte gälla Amazonas regnskog. Vi insåg att siffrorna från andra studier inte stämde. Resultaten av denna nya studie kommer därför att göra meteorologiska modeller mer exakta och förfina regionala såväl som globala klimatmodeller, sa publicerad i Naturkommunikation , stadsföroreningar resulterar i en genomsnittlig ökning med 200 procent i bildandet av sekundära organiska aerosoler, med toppar på upp till 400 procent. FAPESP stödde studien som en del av Green Ocean Amazon Experiment och ett tematiskt projekt kopplat till forskningsprogrammet om globala klimatförändringar.

Paulo Artaxo, professor vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) och en av författarna till artikeln, säger att nästa steg är att inkludera tropisk aerosolkemi i globala klimatmodeller, såsom de som används av FN:s mellanstatliga panel för klimatförändringar (IPCC), till exempel, så att de mer exakt förutsäger hydrologiska cykler i Amazonas och upptäcker förändringar i nederbördsmönster i hela jordens tropiska region.

Liten ändring, Stor påverkan

En aerosol är en suspension av fina fasta partiklar eller vätskedroppar i luften. Primära aerosoler produceras naturligt av skogar, som består av damm, pollen, aska och kolpartiklar från skogsbränder, till exempel. Sekundära aerosoler bildas i atmosfären genom kemiska reaktioner av primära aerosoler och gasformiga prekursorer eller flyktiga organiska föreningar (VOC) som släpps ut av skogar och mänskliga aktiviteter, som förbränning av fossila bränslen.

Ökningen med upp till 400 procent av sekundära organiska aerosoler på grund av Manaus föroreningsplym har en betydande effekt på miljön. Dessa aerosoler spelar en viktig roll vid absorption av solstrålning av atmosfären för att bilda regnmoln, bland annat.

Manaus plym innehåller höga halter av ozon (O3), kväveoxid, svaveldioxid (SO2) och hydroxylradikaler (OH). "När nivåer av svavel- och kväveföreningar från stadsföroreningar byggs upp i atmosfären, biogena ångor i skogen oxideras mycket snabbare, bildar många nya aerosoler – mycket mer än vad som skulle vara fallet om processen var helt naturlig, sa Henrique Barbosa, även professor vid IF-USP och medförfattare till artikeln.

I den här studien, den internationella forskargruppen analyserade konsekvenserna av dessa förändringar observationellt och experimentellt med hjälp av matematiska modeller. De utförde också datorsimuleringar av bildandet av denna stora mängd aerosoler, identifiera de processer som är förknippade med deras ursprung och de kemiska mekanismer som saknas i de använda modellerna.

"Amazonregionen är för det mesta ganska orörd och fri från föroreningar. En liten ökning av kväveföreningar, till exempel, utlöser en enorm ökning av skogsaerosolnivåerna, ", sa Barbosa. "Störningen som orsakas av antropogena utsläpp är mycket våldsam och påverkar klimatet i regionen, det hydrologiska systemet och det globala klimatet."

Den starkaste effekten av denna förändring är på molnbildningen i Amazonas. "Vi såg hur höga nivåer av ultrafina aerosoler i molnen förändrar hastigheten för den uppåtgående luften, gör molnen mer kraftfulla med mer utfällbart vatten, " han lade till.

Fotosyntes

Mängden aerosoler påverkar också starkt fotosyntesen via skogen, som är beroende av solstrålning för att fixera kolnivåer. "Vi observerade att till viss del, ökningen av nivåerna av sekundära aerosoler gör fotosyntesen mer effektiv. Sedan, reaktionerna sker långsammare, sa Barbosa.

Han förklarade att detta uppstår på grund av interaktionen mellan aerosoler och solstrålning. Aerosolarna cirkulerar fritt i luften och förändrar mängden av både direkt (solljus som skapar skugga) och diffus strålning som tas emot av skogen.

Diffus strålning i skogen tränger djupare in i vegetationen, från taket ner till de lägsta löven, så att växter kan använda det för fotosyntes. Direkt strålning når bara de högsta bladen, och därifrån ner, det skapar skugga.

"När aerosolhalterna i atmosfären stiger, fotosyntesen ökar, men om dessa nivåer blir för höga, de hindrar fotosyntesen. I sista hand, det gör ingen skillnad om den diffusa strålningen ökar, eftersom aerosoler blockerar solljuset, och växterna kan inte använda mycket kol, sa Barbosa.

Isopren

Enligt forskare, studien visar att tropiska skogar är betydligt mer dynamiska än vad man ursprungligen trodde. "Ökningen av aerosoler orsakad av föroreningar är mycket större i tropiska skogar [400 procent] än i boreala skogar [60 procent]. Detta beror på olika utsläpps- och oxidationsmekanismer, samt närvaron av isopren endast i tropiska skogar, sa Artaxo.

Isopren är en typ av flyktiga organiska föreningar som naturligt släpps ut av vegetation i tropiska skogar som en del av växtlighetens metabolism. Isopren släpps ut i stora mängder av Amazonas regnskog och har en kort halveringstid i atmosfären, där det omvandlas till aerosolpartiklar. "Omvandlingen av isopren till partiklar accelereras kraftigt av närvaron av föroreningar från Manaus, särskilt kväveoxidutsläpp, sa Artaxo.

I boreala skogar, det finns inga isoprenutsläpp, även om dessa skogar släpper ut låga nivåer av terpen (en annan VOC). Dock, den atmosfäriska kemin för denna gas är helt olik den för isopren.

"Detta gör utsläpp från tropiska skogar till nyckeln till partikelproduktion och ozonbildning, med en kemi som var okänd före GOAmazon-experimentet, ", sa Artaxo. "Nu när vi känner till de kemiska mekanismerna, vi kan inkludera dem i globala klimatmodeller för att främja vår förståelse av den roll som tropiska skogar spelar i planetens klimat."

Han tillade att ökningen av sekundära organiska aerosoler inte bara är förknippad med stadsföroreningar, såsom utsläpp från fordon. Detta kan också bero på andra aktiviteter som producerar kväveoxid, som skogsbränder och användning av generatorer i små städer över hela Amazonas.

"Vi upptäckte att kväveoxid är katalysatorn för sekundär organisk aerosolbildning. Om denna förening är närvarande i föroreningar, oavsett orsak eller ursprung, produktionen av partiklar kommer att intensifieras, sa Artaxo.

Mer precision

De flesta klimatmodeller baseras för närvarande på data och processer som är typiska för det norra halvklotet. När det gäller sekundära organiska aerosoler och deras effekter, modellerna återspeglar inte exakt förhållandena i tropiska skogar, som Amazonas.

För att producera en ny modell inklusive data för Amazonas, forskarna använde mätningar gjorda av flygplan som ägs av US Department of Energy (DoE), data som erhållits vid ytan av ett antal provtagningsstationer, och sofistikerad datorprogramvara som simulerade atmosfärisk kemi och meteorologi i regional skala för att upptäcka korrelationer mellan väder och kemiska processer i atmosfären över denna skog.

Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att använda data om de inblandade kemiska reaktionerna för att kalibrera WRF-Chem-modellen, en befintlig modell som kopplar atmosfärsdynamik och kemi, så att de kunde simulera spridningen av Manaus föroreningsplym och ytterligare aerosolproduktion på grund av interaktionen mellan denna föroreningsepisod och naturliga (biogena) utsläpp från skogen.

Nästa steg kommer att vara att integrera dessa processer i globala klimatmodeller för att förbättra väderprognoser på lång räckvidd och prognoser av nederbörd och partikelbildning samtidigt som forskarnas förståelse för tropiska skogars roll i klimatförändringarna förbättras.