城市污染增加了亞馬遜雨林上400％的氣溶膠形成

包括巴西科學(xué)家在內(nèi)的國際研究團(tuán)隊的一項研究表明，巴西亞馬遜州首府瑪瑙斯的城市污染增加了通過亞馬遜雨林形成的氣溶膠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期。

森林產(chǎn)生的氣溶膠急劇增加對全球氣候變化的關(guān)鍵驅(qū)動因素產(chǎn)生了重大影響，如放射性平衡，云和雨的產(chǎn)生以及植物光合作用的速度。根據(jù)該研究，在城市污染不影響森林的地方，有機(jī)氣溶膠是由該地區(qū)的土壤產(chǎn)生的，但數(shù)量要少得多。

關(guān)于北方森林的類似研究被用作全球氣候模擬的基礎(chǔ)，由于附近城市的污染，二次有機(jī)氣溶膠的最高水平增加了60%。

“我們第一次能夠模擬和預(yù)測亞馬遜地區(qū)的氣溶膠水平?；诒卑肭虻臍夂蚰Ｐ鸵阎贿m用于亞馬遜雨林。我們意識到其他研究得出的數(shù)字并沒有加起來因此，這項新研究的結(jié)果將使氣象模型更加準(zhǔn)確，并完善區(qū)域和全球氣候模型，“ 自然通訊雜志 ”稱，城市污染導(dǎo)致二次有機(jī)氣溶膠平均增加200%，峰值高達(dá)400%。FAPESP支持該研究，作為綠海亞馬遜實驗和與全球氣候變化研究計劃相關(guān)的專題項目的一部分。

圣保羅大學(xué)物理研究所(IF-USP)的全職教授，該文章的作者之一Paulo Artaxo表示，下一步是將熱帶氣溶膠化學(xué)納入全球氣候模型，例如聯(lián)合國政府間使用的氣候模型。例如，氣候變化專家組(IPCC)可以更準(zhǔn)確地預(yù)測亞馬遜河流域的水文循環(huán)，并探測整個地球熱帶地區(qū)降雨模式的變化。

小改建，重大影響

氣溶膠是空氣中的細(xì)小固體顆?；蛞旱蔚膽腋∫?。原生氣溶膠由森林自然產(chǎn)生，例如包括來自野火的灰塵，花粉，灰和碳顆粒。二次氣溶膠是在大氣中通過主要氣溶膠和氣態(tài)前體或森林和人類活動產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的化學(xué)反應(yīng)形成的，例如燃燒化石燃料。

由于馬瑙斯污染羽流導(dǎo)致二次有機(jī)氣溶膠增加高達(dá)400%，對環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。這些氣溶膠在太陽輻射吸收大氣中起主要作用，形成雨云等。

馬瑙斯羽流含有高濃度的臭氧(O3)，氮氧化物，二氧化硫(SO2)和羥基自由基(OH)。“當(dāng)來自城市污染的硫和氮化合物的水平在大氣中積聚時，森林中的生物蒸氣被更快地氧化，形成許多新的氣溶膠 - 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過如果該過程純天然的情況，”Henrique說。 Barbosa，也是IF-USP的教授，也是該文章的合著者。

在這項研究中，國際研究小組使用數(shù)學(xué)模型以觀察和實驗的方式分析了這些變化的后果。他們還對大量氣溶膠的形成進(jìn)行了計算機(jī)模擬，確定了與其來源相關(guān)的過程以及所用模型中缺少的化學(xué)機(jī)理。

“亞馬遜地區(qū)基本上非常純凈，沒有污染。例如，氮化合物的微小增加會引發(fā)森林氣溶膠水平的大幅上升，”Barbosa說。“人為排放造成的干擾非常嚴(yán)重，影響了該地區(qū)的氣候，水文系統(tǒng)和全球氣候。”

這一變化的最大影響是亞馬遜地區(qū)的云形成。“我們看到云層中高含量的超細(xì)氣溶膠如何改變上升空氣的速度，使得云層更加活躍，水體更加可沉淀，”他補(bǔ)充道。

光合作用

氣溶膠的數(shù)量也強(qiáng)烈影響森林的光合作用，這取決于太陽輻射來固定碳水平。“我們觀察到，在一定程度上，二次氣溶膠水平的上升使光合作用更加有效。然后，反應(yīng)發(fā)生得更慢，”Barbosa說。

他解釋說，這是因為氣溶膠和太陽輻射之間的相互作用。氣溶膠在空氣中自由循環(huán)，并改變直接(產(chǎn)生陰影的陽光)和森林接收的漫射輻射的量。

森林中的擴(kuò)散輻射深入植被，從樹冠到最低的葉子，因此植物可以利用它進(jìn)行光合作用。直接輻射只到達(dá)最高的葉子，從那里向下，它會產(chǎn)生陰影。

“當(dāng)大氣中的氣溶膠水平上升時，光合作用會增加，但如果這些水平變得過大，就會阻礙光合作用。最終，如果散射輻射增加，氣溶膠阻擋陽光，植物就不能使用太多碳，這沒有區(qū)別，“巴博薩說。

異戊二烯

根據(jù)研究人員的研究，該研究表明，熱帶森林比原先想象的更具活力。“熱帶森林造成的氣溶膠增加[400%]遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北方森林[60%]。這是由于不同的排放和氧化機(jī)制，以及僅在熱帶森林中存在異戊二烯，”阿塔科索說。

異戊二烯是熱帶森林植被自然排放的一種揮發(fā)性有機(jī)化合物，是植被代謝的一部分。異戊二烯由亞馬遜熱帶雨林大量排放，大氣中的半衰期很短，在那里它被轉(zhuǎn)化為氣溶膠顆粒。“由于馬瑙斯的污染，特別是氮氧化物的排放，大大加速了異戊二烯向顆粒的轉(zhuǎn)化，”Artaxo說。

在北方森林中，沒有異戊二烯排放，盡管這些森林排放的萜烯含量很低(另一種VOC)。然而，這種氣體的大氣化學(xué)完全不同于異戊二烯。

“這使得熱帶森林的排放成為顆粒生產(chǎn)和臭氧形成的關(guān)鍵，化學(xué)在GOAmazon實驗之前是未知的，”Artaxo說。“現(xiàn)在我們了解了化學(xué)機(jī)制，我們可以將它們納入全球氣候模型，以促進(jìn)我們對熱帶森林在地球氣候中所起作用的理解。”

他補(bǔ)充說，二次有機(jī)氣溶膠的增加不僅與城市污染有關(guān)，例如車輛排放。這也可能是由于其他產(chǎn)生氮氧化物的活動，如森林火災(zāi)和亞馬遜地區(qū)小城鎮(zhèn)發(fā)電機(jī)的使用。

“我們發(fā)現(xiàn)氮氧化物是二次有機(jī)氣溶膠形成的催化劑。如果這種化合物存在于污染中，無論原因或來源如何，顆粒的產(chǎn)生都會加劇，”Artaxo說。

更準(zhǔn)確

大多數(shù)氣候模型目前都基于北半球典型的數(shù)據(jù)和過程。在二次有機(jī)氣溶膠及其影響的情況下，這些模型不能準(zhǔn)確反映熱帶森林中的條件，例如亞馬遜。

為了生成包括亞馬遜數(shù)據(jù)在內(nèi)的新模型，研究人員使用了美國能源部(DoE)擁有的飛機(jī)進(jìn)行的測量，許多采樣站在地面獲得的數(shù)據(jù)，以及模擬大氣化學(xué)和在區(qū)域尺度上的氣象學(xué)，以檢測該森林上的大氣中的天氣和化學(xué)過程之間的相關(guān)性。

這種方法使研究人員能夠利用所涉及的化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)WRF-Chem模型，這是一種耦合大氣動力學(xué)和化學(xué)的現(xiàn)有模型，因此它們可以模擬馬瑙斯污染羽流的分散和由于這種污染事件與森林的自然(生物)排放之間的相互作用。

下一步將是將這些過程整合到全球氣候模型中，以加強(qiáng)長期天氣預(yù)報和降雨和顆粒形成的預(yù)測，同時促進(jìn)科學(xué)家對熱帶森林在氣候變化中的作用的理解。