Wykrywanie drzew zakłóca obliczenia klimatyczne – Ars Technica

Co roku od września do grudnia Lubna Dada tworzy chmury. Dada, naukowiec zajmujący się atmosferą, wraz z dziesiątkami kolegów przeprowadza eksperymenty w komorze ze stali nierdzewnej o pojemności 7000 galonów w CERN w Szwajcarii. „To jak obóz naukowy” – mówi Dada, który bada, w jaki sposób naturalne emisje wchodzą w interakcję z ozonem, tworząc aerozole wpływające na klimat.

Największym źródłem są chmury podejrzenie W prognozach klimatycznych. W zależności od lokalizacji może to być zachmurzenie Odbijaj światło słoneczne lądów i oceanów, które pochłaniałyby jego ciepło, co jest rzadką cechą w ocieplającym się świecie. Ale można go również wycofać pułapka Ciepło nad lodem Arktyki i Antarktydy. Naukowcy chcą wiedzieć więcej na temat przyczyn powstawania chmur i tego, czy efektem jest chłodzenie czy ogrzewanie. Przede wszystkim, jak mówi Dada, „chcemy wiedzieć, jak my, ludzie, zmieniliśmy chmury”.

Na niebie cząsteczki aerozolu przyciągają parę wodną lub lód. Kiedy małe, mokre kulki urosną wystarczająco duże, stają się… Nasiona chmur. Połowa zachmurzenia Ziemi składa się z piasku, soli, sadzy, dymu i pyłu. Druga połowa powstaje wokół oparów wydzielanych przez organizmy żywe lub maszyny, np.: Dwutlenek siarki powstający podczas spalania paliw kopalnych.

W CERN naukowcy powtarzają ten proces, wstrzykując do stalowej komory pary reprezentujące określone środowiska. (Nazywa się ją komorą chmurową, od kosmicznych kropelek pozostawionych na zewnątrz.) Może na przykład symulować gazy znajdujące się nad miastami. Ale Dada, który na co dzień pracuje w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii, udał się do Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), aby zajrzeć w przeszłość. Jej zespół naukowców z całego świata chciał odtworzyć powietrze nad lasami, ponieważ „czysta” atmosfera nawiązuje do powstawania chmur przed industrializacją. „Potrzebujemy tego porównania z czasami, kiedy nie było emisji gazów cieplarnianych przez człowieka, abyśmy mogli naprawić nasze modele klimatyczne” – mówi.

W opublikowanym artykule Ten miesiąc W Science Advances zespół Dady stworzył nowy, potężny czynnik powstawania chmur: rodzaj substancji chemicznej uwalnianej przez drzewa. Drzewa emitują Naturalne substancje lotne Takie jak izopren i monoterpeny, które mogą powodować iskrzenie Tworzenie się chmur Reakcje chemiczne. Nowa praca Dady skupia się na zaniedbanej klasie mniej występujących substancji lotnych zwanych seskwiterpenami, które mają drzewny, ziemisty, kwaśny lub korzenny zapach, w zależności od cząsteczki i rodzaju rośliny lub drobnoustroju, który je emituje.

Zespół pokazuje, że seskwiterpeny są skuteczniejsze w zasiewaniu chmur, niż oczekiwano. Tylko stosunek seskwiterpenów do innych substancji lotnych wynosi 1 do 50 Podwojone Tworzenie się chmur.

Rola, jaką drzewa odgrywają w zasiewaniu chmur, jest ważna, ponieważ sugeruje, jak mogłoby wyglądać niebo nad niektórymi obszarami, gdyby rządy mogły ograniczyć emisję siarki. W świecie o mniejszym zanieczyszczeniu rośliny i drzewa staną się dominującym czynnikiem powodującym powstawanie chmur, co będzie echem świata przednowoczesnego.

Badania te mogą pomóc w ulepszeniu szacunków dotyczących atmosfery przed industrializacją. Być może nie doceniliśmy liczby aerozoli na świecie, przeoczając dużą część aerozoli pochodzących z drzew. Jeśli tak się stanie, modele klimatyczne będą musiały zostać przebudowane.

„Powstanie nowych cząstek jest obecnie bardzo gorącym tematem” – mówi Paquita Zuidema, badacz atmosfery na Uniwersytecie w Miami, który nie brał udziału w badaniu. „Coraz bardziej zaczynamy zdawać sobie sprawę, że nie wiemy dokładnie, jak wygląda czysta pogoda”.

Podczas gdy emisje antropogeniczne dominują w tworzeniu się chmur na obszarach zaludnionych, w innych miejscach dominują substancje lotne roślinne. Narzędzia laboratoryjne stały się ostatnio wystarczająco czułe, aby zrozumieć, które z nich wnoszą najwięcej.

Wiele odkryć dotyczących seskwiterpenów ma miejsce stosunkowo niedawno. W 2010, Naukowcy je odkryli W pobliżu dna lasu amazońskiego. Wysoko w koronach drzew trudno było wyśledzić seskwiterpeny. Sugeruje to, że ozon przekształcał seskwiterpeny w aerozole zasilane chmurami. Dada zgłosił podobny system w Fińskie lasy i torfowiska ostatni rok. „Widzimy coraz więcej, ponieważ nasze narzędzia są teraz o wiele lepsze” – mówi. „Są nie tylko w Amazonii.”

Kiedy Dada i jej współpracownicy rozpoczęli nowe badania, ich celem było sprawdzenie zdolności seskwiterpenów do tworzenia chmur poprzez symulację powietrza w lesie niezakłóconego przez emisje ludzkie. Zaczęli od wartości bazowej, mierząc, co dzieje się po zjonizowaniu atmosferycznej mieszaniny najpowszechniejszych „bio” substancji lotnych: izoprenu i alfa-pinenu, monoterpenu. Zgodnie z oczekiwaniami, ta mieszanina zasiała chmury. Następnie zespół zrobił to samo i dodał seskwiterpen zwany β-kariofilenem. Pochodzi z drzew sosnowych i cytrusowych i pachnie mielonym pieprzem.

Dada postawił hipotezę, że beta-kariofilen powinien reagować chemicznie, tworząc aerozol i ostatecznie chmurę. Ona i jej zespół stali w sterowni, monitorując 15 monitorów wyświetlających w czasie rzeczywistym odczyty danych, takie jak rozmiary i stężenia aerozoli. Wiedzieliby, że miała rację, gdyby wykres wielkości cząstek zmienił kolor na ekranie. Będzie rosła i zmieniała kolor z niebieskiego na bananowożółty wraz ze wzrostem liczby nasion chmur.

W pierwszej rundzie wykres zmienił kolor na żółty. Dada miał rację. („Wszyscy krzyczeliśmy: «Banan! Banan! Banan!»” – wspomina.) Dodanie zaledwie 2% objętościowych beta-kariofilenu do mieszanki podwoiło tworzenie się chmur i spowodowało wzrost cząsteczek. szybciej. Był to pierwszy eksperyment pokazujący, w jaki sposób seskwiterpeny tworzą chmury. Dada twierdzi, że wykazał, że chociaż jest to tylko niewielka część związków wydychanych przez drzewa, „wkład jest ogromny”.

„Dodanie odrobiny seskwiterpenu ma bardzo duży efekt” – mówi Jiwen Fan, badacz atmosfery w Argonne National Laboratory, który nie był zaangażowany w badania. Nawet jeśli seskwiterpeny wytwarzają „mikro” aerozole, które nie są wystarczająco duże, aby utworzyć chmury, nadal mogą wpływać na pogodę. W 2018 roku Fan wykazał, że gdy masywne chmury deszczowe „połykają” najdrobniejsze aerozole, tworzą nowe kropelki. Aktywuj burze.

Zdaniem Fana nowe dane sugerują, że seskwiterpeny mogą pomóc w lepszym wyjaśnieniu globalnego przepływu aerozoli. Aerozole powodują, że chmury odwracają więcej ciepła od Ziemi, co jest efektem znanym jako „wymuszanie radiacyjne”. (To jest idea Konspiracje Do inżyniera geologa Atmosfera aerozolowa: sztuczne rozsiewanie chmur, które mogą ochłodzić Ziemię.) Więcej aerozoli oznacza bardziej odblaskowe chmury, które wydają się bielsze, trwają dłużej i rzadziej spada deszcz.

Naukowcy mają jednak trudności z symulacją liczby aerozoli, które należy uwzględnić w modelach. „To problem występujący od dawna” – mówi Fan. „Wiele modeli klimatycznych przecenia wpływ aerozoli wytwarzanych przez człowieka”. Być może dzieje się tak dlatego, że nie doceniali rozprzestrzeniania się naturalnych aerozoli – pochodzących od drobnoustrojów, roślin i drzew – przed rewolucją przemysłową. „Być może to, czego używamy jako punktu odniesienia, w rzeczywistości nie jest tak niskim aerozolem, jak myśleliśmy” – zgadza się Zuidema.

Określając ilościowo sposób, w jaki drzewa tworzą chmury, naukowcy mogą lepiej przewidywać przyszły i przeszły klimat. Emisje przemysłowe zmniejszają część ocieplenia poprzez wymuszenie radiacyjne, ponieważ aerozole siarki mogą tworzyć odblaskowe chmury. Ale jeśli bioaerozoli jest więcej niż oczekiwano zanim Produkcja, wkład przemysłu są mniej istotne.

Trudno przewidzieć, co te przeliczenia mogą nam powiedzieć na temat globalnego ocieplenia, ponieważ w dynamicznym klimacie istnieje wiele ruchomych części. Na przykład stres cieplny, ekstremalne warunki pogodowe i susza powodują obumieranie roślin Uwolnienie bardziej bioaktywnych substancji lotnych– Z czego rośnie więcej chmur. Wylesianie i stres cieplny są Popychanie linii drzew do migracji na wyższe wysokości i szerokości geograficzne. to wpływa Gdzie Tworzą się chmury.

„To pętla sprzężenia zwrotnego” – mówi Dada. „Klimat wpływa na powstawanie chmur, a chmury wpływają na klimat.”

Lepsze modele klimatyczne pomogą naukowcom przewidzieć najlepsze sposoby łagodzenia skutków: „Jeśli potrzebujemy więcej chmur, jeśli potrzebujemy mniej chmur” – mówi Dada. Dylemat polega jednak na tym, że modele klimatyczne są niezwykle wymagające obliczeniowo. Uwzględnienie fizyki czegoś tak małego jak spray na drzewa może nie być łatwe.

Dada wraca do CERN tej jesieni na dalsze testy. Jej zespół chce teraz zobaczyć, jak emisje antropogeniczne, takie jak dwutlenek siarki, wpływają na zdolność roślin do zasiewania chmur. Mogą się wzajemnie spowalniać lub przyspieszać. Ich celem jest rozszerzenie wniosków na obszary, które nie są czyste, takie jak lasy, gdzie występuje wiele rodzajów emisji mieszanych. „Próbujemy dodać czynniki antropogeniczne, aby uzyskać bardziej realistyczny obraz niemal każdego miejsca na świecie” – mówi.

Ta historia pierwotnie pojawiła się w Wired.com.