Биогенные пары образуют новые частицы NPF (New Particle Formation) в атмосфере, способные влиять на глобальный климат. Международная группа ученых рассмотрела процесс зарождения NPF в атмосфере, а в ходе эксперимента отследила на молекулярном уровне, как именно происходит образование частиц в присутствии химических паров, исходящих от биосферы Земли. Результат научной работы опубликован в журнале Science Advances.
Изменение климата и проблемы качества воздуха имеют глобальное значение как для человечества, так и для окружающей среды. Образование новых частиц, называемых учеными NPF, является ключевым процессом, определяющим количество аэрозолей в атмосфере. Они являются источником более половины ядер конденсации облаков, что влияет на свойства облаков и энергетический баланс Земли.
Тропические леса Амазонки ©mir-da.ru
Большая часть пограничного слоя атмосферы получает сильные выбросы биогенных летучих органических соединений от растительности. Эти соединения взаимодействуют с атмосферными окислителями, что приводит к быстрому образованию кислородсодержащих паров с низкой летучестью. Небольшая часть достигает пересыщения, что стимулирует образование NPF. При этом частицы могут вырасти до достаточно больших размеров, чтобы прямо или косвенно влиять на радиационный баланс атмосферы, действуя как ядра конденсации облаков.
Международная группа ученых рассмотрела процесс образования новых частиц на молекулярном уровне. Новый подход позволил определить точную роль разных химических составляющих и учесть степень их влияния, чего не достигалось ранее.
«Интереснейший проект CLOUD начался еще в 2009 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Женева, Швейцария). Одним из инициаторов этого международного проекта выступила наша российская группа. За прошедшие годы мы воплотили в жизнь большой ряд экспериментов, который дал ответ на многие вопросы нашего проекта: чем вызваны текущие активные атмосферные процессы, влияющие на глобальное изменение климата, какова роль химических специй от продуктов жизнедеятельности и каков вклад заряженных частиц ионов, которыми наша атмосфера все время ионизируется за счет потока космических лучей. На все эти вопросы мы впервые дали точные ответы», — рассказал Владимир Махмутов, заведующий лабораторией физики Солнца и космических лучей Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, д. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики МФТИ.
Биогенные органические выбросы в пограничных слоях атмосферы представляют собой в основном изопреноиды, которые варьируются в зависимости от типа растительности. Среди них сесквитерпены (С15Н24 и другие) представляют собой высокореактивный класс, и их в основном выделяют сосны и цитрусовые деревья, а также сельскохозяйственные растения. Таким образом, тропические леса, особенно Амазонки, являются крупнейшими источниками, а значит, потенциально увеличивают образование NPF.
Вновь образованные частицы состоят из углеводородов — монотерпенов, изопренов и сесквитерпенов. И если первые два соединения достаточно изучены, то сесквитерпенам уделяется мало внимания, несмотря на их потенциально важную роль из-за их высокой молекулярной массы. С помощью экспериментов, проведенных в камере CLOUD при атмосферных условиях, ученые обнаружили, что именно сесквитерпены играют активную роль в образовании паров со сверхнизкой летучестью, которые, в свою очередь, является высокоэффективными образователями NPF и количественно определяют их эффективность. Добавление всего 2% сесквитерпена увеличивает выход этих паров и удваивает скорость образования. Таким образом, выбросы сесквитерпенов необходимо включать в оценку глобальных концентраций аэрозолей, где NPF, как ожидается, будут основным источником ядер конденсации облаков.
Выбросы сесквитерпенов деревьями и кустарниками увеличиваются в зависимости от окислительного и термического стресса, а недавнее исследование показало, что почвенные микроорганизмы также выделяют сесквитерпены с той же скоростью, что и крона. В глобальном масштабе выбросы сесквитерпенов (24 Тг С/год) существенно ниже монотерпенов — 91 — и изопрена — 465, но они имеют более высокий выход низколетучих продуктов окисления.
«Результаты экспериментов наглядно доказали высокую роль сесквитерпенов в образовании новых частиц, чего ранее практически не учитывали. Почему NPF так важны? Молекулы вновь образующихся частиц являются зародышами облаков, центров конденсации, и если они не испаряются в атмосфере, то в конечном итоге образуют систему облаков, которые влияют на радиационный баланс энергии, приходящей от Солнца к Земле, и наоборот. Таким образом можно оценить вклад антропогенной и биогенной деятельности в эти процессы, уже сейчас вызвавшие глобальное изменение климата», — подытожил Владимир Махмутов.
Учитывая увеличение выбросов сесквитерпенов из-за экологического стресса, которому подвергаются растения в связи с продолжающимся глобальным повышением температуры, понимание вклада сесквитерпенов в NPF и рост в атмосфере облаков очень важно для построения глобальных климатических моделей.
Пример чистого биогенного эксперимента NPF в эксперименте CLOUD
Репрезентативная смесь в трех стадиях концентрации. (A) Комбинированное распределение частиц по размерам, измеренное с использованием полного набора приборов для измерения частиц. (ДB) Изменение измеренных концентраций паров прекурсоров, α-пинена, β-кариофиллена и изопрена. Три экспериментальных этапа с различными концентрациями компонент разделены вертикальными серыми линиями. (С ) Изменение концентраций продуктов окисления органических соединений с чрезвычайно низкой летучестью и органических соединений со сверхнизкой летучестью. Источник: Science Advances
Скорость роста в зависимости от концентрации пара и диаметра частиц. Источник: Science Advances
Влияние атмосферных условий на скорость образования частиц, влияние ионов, вызванных космическим излучением, в образовании NPF. Выявлен рост концентрации под влиянием ионов, показанный в эксперименте.
(A) Прогоны смеси при температуре = 5° C и относительной влажности = 40%. Скорость образования частиц в зависимости от концентрации соединений со сверхнизкой летучестью, без NO, показана черным цветом и окрашена в зависимости от концентрации NO (цветная полоса). (B) Прогоны смеси, относительная влажность = 40% и ~10–20 частей, скорость образования частиц (J1,7), функция OOM, показывающая влияние температуры. (C) Прогоны смеси при относительной влажности = 40% и ~10–20 pptv NO, скорость образования частиц размером 1,7 нм (J1,7), функция увеличения концентрации ионов, показывающая их значение. Источник: Science Advances
