2019-06-04 20:11:02
城市污染增加了亚马逊雨林上400%的气溶胶形成

包括巴西科学家在内的国际研究团队的一项研究表明,巴西亚马逊州首府玛瑙斯的城市污染增加了通过亚马逊雨林形成的气溶胶远远超过预期。

森林产生的气溶胶急剧增加对全球气候变化的关键驱动因素产生了重大影响,如放射性平衡,云和雨的产生以及植物光合作用的速度。根据该研究,在城市污染不影响森林的地方,有机气溶胶是由该地区的土壤产生的,但数量要少得多。

关于北方森林的类似研究被用作全球气候模拟的基础,由于附近城市的污染,二次有机气溶胶的最高水平增加了60%。

“我们第一次能够模拟和预测亚马逊地区的气溶胶水平。基于北半球的气候模型已知不适用于亚马逊雨林。我们意识到其他研究得出的数字并没有加起来因此,这项新研究的结果将使气象模型更加准确,并完善区域和全球气候模型,“自然通讯杂志”称,城市污染导致二次有机气溶胶平均增加200%,峰值高达400%。 FAPESP支持该研究,作为绿海亚马逊实验和与全球气候变化研究计划相关的专题项目的一部分。

圣保罗大学物理研究所(IF-USP)的全职教授,该文章的作者之一Paulo Artaxo表示,下一步是将热带气溶胶化学纳入全球气候模型,例如联合国政府间使用的气候模型。例如,气候变化专家组(IPCC)可以更准确地预测亚马逊河流域的水文循环,并探测整个地球热带地区降雨模式的变化。

小改建,重大影响

气溶胶是空气中的细小固体颗粒或液滴的悬浮液。原生气溶胶由森林自然产生,例如包括来自野火的灰尘,花粉,灰和碳颗粒。二次气溶胶是在大气中通过主要气溶胶和气态前体或森林和人类活动产生的挥发性有机化合物(VOC)的化学反应形成的,例如燃烧化石燃料。

由于马瑙斯污染羽流导致二次有机气溶胶增加高达400%,对环境产生了重大影响。这些气溶胶在太阳辐射吸收大气中起主要作用,形成雨云等。

马瑙斯羽流含有高浓度的臭氧(O3),氮氧化物,二氧化硫(SO2)和羟基自由基(OH)。 “当来自城市污染的硫和氮化合物的水平在大气中积聚时,森林中的生物蒸气被更快地氧化,形成许多新的气溶胶 - 远远超过如果该过程纯天然的情况,”Henrique说。 Barbosa,也是IF-USP的教授,也是该文章的合着者。

在这项研究中,国际研究小组使用数学模型以观察和实验的方式分析了这些变化的后果。他们还对大量气溶胶的形成进行了计算机模拟,确定了与其来源相关的过程以及所用模型中缺少的化学机理。

“亚马逊地区基本上非常纯净,没有污染。例如,氮化合物的微小增加会引发森林气溶胶水平的大幅上升,”Barbosa说。 “人为排放造成的干扰非常严重,影响了该地区的气候,水文系统和全球气候。”

这一变化的最大影响是亚马逊地区的云形成。 “我们看到云层中高含量的超细气溶胶如何改变上升空气的速度,使得云层更加活跃,水体更加可沉淀,”他补充道。

光合作用

气溶胶的数量也强烈影响森林的光合作用,这取决于太阳辐射来固定碳水平。 “我们观察到,在一定程度上,二次气溶胶水平的上升使光合作用更加有效。然后,反应发生得更慢,”Barbosa说。

他解释说,这是因为气溶胶和太阳辐射之间的相互作用。气溶胶在空气中自由循环,并改变直接(产生阴影的阳光)和森林接收的漫射辐射的量。

森林中的扩散辐射深入植被,从树冠到最低的叶子,因此植物可以利用它进行光合作用。直接辐射只到达最高的叶子,从那里向下,它会产生阴影。

“当大气中的气溶胶水平上升时,光合作用会增加,但如果这些水平变得过大,就会阻碍光合作用。最终,如果散射辐射增加,气溶胶阻挡阳光,植物就不能使用太多碳,这没有区别,“巴博萨说。

异戊二烯

根据研究人员的研究,该研究表明,热带森林比原先想象的更具活力。 “热带森林造成的气溶胶增加[400%]远远大于北方森林[60%]。这是由于不同的排放和氧化机制,以及仅在热带森林中存在异戊二烯,”阿塔科索说。

异戊二烯是热带森林植被自然排放的一种挥发性有机化合物,是植被代谢的一部分。异戊二烯由亚马逊热带雨林大量排放,大气中的半衰期很短,在那里它被转化为气溶胶颗粒。 “由于马瑙斯的污染,特别是氮氧化物的排放,大大加速了异戊二烯向颗粒的转化,”Artaxo说。

在北方森林中,没有异戊二烯排放,尽管这些森林排放的萜烯含量很低(另一种VOC)。然而,这种气体的大气化学完全不同于异戊二烯。

“这使得热带森林的排放成为颗粒生产和臭氧形成的关键,化学在GOAmazon实验之前是未知的,”Artaxo说。 “现在我们了解了化学机制,我们可以将它们纳入全球气候模型,以促进我们对热带森林在地球气候中所起作用的理解。”

他补充说,二次有机气溶胶的增加不仅与城市污染有关,例如车辆排放。这也可能是由于其他产生氮氧化物的活动,如森林火灾和亚马逊地区小城镇发电机的使用。

“我们发现氮氧化物是二次有机气溶胶形成的催化剂。如果这种化合物存在于污染中,无论原因或来源如何,颗粒的产生都会加剧,”Artaxo说。

更准确

大多数气候模型目前都基于北半球典型的数据和过程。在二次有机气溶胶及其影响的情况下,这些模型不能准确反映热带森林中的条件,例如亚马逊。

为了生成包括亚马逊数据在内的新模型,研究人员使用了美国能源部(DoE)拥有的飞机进行的测量,许多采样站在地面获得的数据,以及模拟大气化学和在区域尺度上的气象学,以检测该森林上的大气中的天气和化学过程之间的相关性。

这种方法使研究人员能够利用所涉及的化学反应数据来校准WRF-Chem模型,这是一种耦合大气动力学和化学的现有模型,因此它们可以模拟马瑙斯污染羽流的分散和由于这种污染事件与森林的自然(生物)排放之间的相互作用。

下一步将是将这些过程整合到全球气候模型中,以加强长期天气预报和降雨和颗粒形成的预测,同时促进科学家对热带森林在气候变化中的作用的理解。

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