Mentre guardava dall'alto l'Amazzonia, foglie lucenti formavano onde di fogliame. Il vento li increspava, creando vortici e pozze di verde. Da questo punto di vista, alcune persone potrebbero aver appena visto alberi. Ma dal suo alto trespolo, Kolby Jardine, un ricercatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (DOE), vide di più:il complesso ciclo ecologico della foresta. A partire dalle emissioni emesse dalle foglie alle nuvole in alto, ogni componente influenza tutti gli altri.

Jardine faceva parte del progetto "Green Ocean Amazon" o GoAmazon del DOE Office of Science, che si è concentrato sulla migliore comprensione del ciclo dell'acqua del bacino amazzonico. Prendendo i dati su un ondeggiamento, piattaforma stretta più alta di un edificio di 10 piani, Jardine sperava di scrutare in una parte di questo sistema:come le foglie tropicali producono emissioni.

"Senti davvero cosa vuol dire essere una foglia nel baldacchino superiore, " Egli ha detto.

L'Amazzonia è la foresta pluviale tropicale più grande e diversificata del mondo, che si estende su nove paesi. Mentre le emissioni provocate dall'uomo inquinano l'aria nella stagione secca, l'aria sopra l'Amazzonia nella stagione delle piogge è uno dei luoghi più puliti della terra.

Questo contrasto lo rende il luogo perfetto per Jardine e altri ricercatori per studiare come gli alberi rilasciano emissioni e quali effetti hanno queste emissioni sul clima.

Alberi e altre piante producono da centinaia a migliaia di composti organici volatili (COV). Queste sostanze chimiche a base di carbonio evaporano facilmente da un liquido o da un solido nell'aria a temperature molto più basse rispetto alla maggior parte delle sostanze chimiche. Per esempio, il tuo naso rileva i COV quando senti l'odore dei pini. Altri COV sono prodotti dall'uomo, come quelli che producono "l'odore dell'auto nuova". Mentre i COV prodotti dall'uomo dominano nelle aree urbane, I COV prodotti dagli alberi svolgono un ruolo importante in Amazzonia.

In pochi minuti o ore dopo che gli alberi li hanno rilasciati, I COV reagiscono con l'ozono e altre sostanze chimiche nell'atmosfera. Si raggruppano per diventare composti più grandi o reagiscono con le emissioni prodotte dall'uomo dai veicoli diesel o dalle centrali elettriche a combustione di combustibili fossili. In entrambi i casi, formano aerosol organici secondari (SOA), particelle solide o liquide sospese nel gas.

Dalla formazione dello smog all'influenza sulla formazione delle nuvole, Le SOA guidano una serie di processi atmosferici e climatici. Le interazioni tra aerosol, COV, e altre emissioni biologiche creano una delle maggiori incertezze nei modelli climatici. L'Office of Science del Dipartimento dell'Energia sostiene la ricerca sui COV degli alberi e sulle SOA che formano.

Il grande impatto delle minuscole particelle

Per i composti che spesso durano meno di due ore prima di reagire con qualcos'altro, I COV hanno un grande impatto. Questo è particolarmente vero ai tropici, dove dal 30 al 50 percento degli alberi emette COV. Attraverso le SOA si trasformano in, I COV influenzano il tempo e il clima in due modi principali.

Primo, Le SOA costituiscono una grande proporzione delle minuscole particelle nell'atmosfera. Influenzano la quantità di luce solare che l'atmosfera assorbe o disperde, e quindi la quantità di luce e calore che raggiunge la superficie terrestre.

Secondo, il vapore acqueo si condensa sulle SOA. Qualche volta, la particella raccoglie abbastanza acqua per diventare una goccia di nuvola. Se continua a crescere, può diventare una goccia di pioggia che cade sulla terra. Il progetto GoAmazon ha affrontato la sfida di raccogliere dati sui COV, Così come, e i loro effetti sul clima. Il team di GoAmazon ha raccolto dati da gennaio 2014 a dicembre 2015 utilizzando l'Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Climate Research Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science.

Cosa succede quando un albero respira?

Per mappare il ruolo dei COV biologici nella foresta pluviale, gli scienziati devono capire come e perché gli alberi li producono. È più facile dirlo che farlo.

Il numero di fattori che determinano la produzione di COV è impressionante. La stagione, specie di albero, età delle foglie, concentrazione di anidride carbonica nell'aria intorno all'albero, leggero, e la temperatura sono solo alcuni. Inoltre, le piante non solo rilasciano VOC; alcuni addirittura assorbono alcuni COV.

Un'altra sfida è semplicemente prendere i dati dentro e sopra la volta della foresta. Uno dei modi principali dei ricercatori per campionare l'aria è far volare aerei personalizzati pieni di strumenti complessi proprio sopra il baldacchino.

A differenza dei modelli, "le misurazioni effettuate dai velivoli forniscono [dati sulla] atmosfera reale, " ha detto Jian Wang, uno scienziato del Brookhaven National Laboratory del DOE.

Per comprendere i livelli di isoprene (uno dei principali VOC) appena sopra la chioma, il team di GoAmazon ha eseguito otto diversi voli di ricerca sia nella stagione umida che in quella secca. I loro dati hanno mostrato che i tassi di emissione di isoprene erano tre volte superiori a quelli rivelati dai dati satellitari e il 35 percento in più rispetto ai modelli previsti. In particolare, hanno scoperto che né i modelli né i satelliti tengono conto delle diverse altezze o della varietà di specie vegetali in Amazzonia.

"Dobbiamo sapere chi sono i giocatori e quali sono le loro fonti, " disse Jardine.

Jardine e il suo team hanno avuto un approccio complementare:sono rimasti appollaiati per giorni e giorni in cima a una stretta torre che sorgeva dalla giungla. Dopo aver attraversato la foresta prima dell'alba, hanno campionato i gas da diversi livelli della torre ogni 10 minuti. Hanno quindi analizzato i contenuti utilizzando uno strumento specializzato che utilizza le masse di sostanze chimiche per identificarli.

Tracciare le differenze, hanno scoperto che gli alberi producevano molto più isoprene durante il giorno che di notte e durante la stagione secca rispetto alla stagione delle piogge. Più luce solare e più alte sono le temperature, più piante di isoprene emettono. Il team ha anche scoperto che più stress erano sottoposte alle foglie, più isoprene producevano.

Entrambi gli studi hanno illustrato quanto siano complesse le influenze sulla produzione di COV degli alberi. Tenere conto di queste influenze è essenziale per migliorare i dati che entrano nei modelli climatici.

Lo studio della torre ha anche scoperto che in circostanze particolarmente stressanti, I COV potrebbero reagire con l'ossigeno all'interno delle piante stesse. Precedenti studi a cui Jardine ha partecipato sia con aghi di pino loblolly che con foglie di mango mostrano che questo fenomeno si estende oltre l'Amazzonia. Il fatto che le piante possano produrre esse stesse prodotti secondari è un altro fattore che i modelli devono includere. Inoltre, indica la potenziale importanza dei COV all'interno delle piante stesse. Possono effettivamente aiutare le piante ad affrontare i fattori di stress ambientale.

Cosa serve per diventare un aerosol organico secondario

Una volta che gli alberi rilasciano emissioni nell'aria, emergono ancora più interazioni. Quali VOC formano quali SOA dipendono dal livello dei VOC, i gas con cui reagiscono i COV, e quanto si mescolano insieme. I COV possono spesso reagire con l'ossigeno e altre sostanze chimiche diverse volte mentre si muovono attraverso l'atmosfera, producendo ogni volta prodotti diversi. "È importante sapere cosa accadrà ai VOC e alle SOA quando verranno trasportati [lontano] dalle fonti, " ha detto Alla Zelenyuk-Imre, un ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE. Queste trasformazioni influenzano sia le caratteristiche delle SOA sia il modo in cui influenzano la formazione delle nuvole.

Per studiare queste reazioni, gli scienziati utilizzano sia studi sul campo che studi di laboratorio. Studi di settore, come GoAmazon, offrire dati reali. Ma gli scienziati spesso non sono in grado di analizzare completamente queste reazioni chimiche sul campo.

"Gli studi di laboratorio fondamentali possono aiutare a comprendere e interpretare i dati di osservazione più complessi, " disse Nga Lee "Sally" Ng, un ricercatore presso la Georgia Tech. "Sia il laboratorio che gli studi sul campo si completano a vicenda".

Uno studio del 2015 condotto da Ng ha ampliato la comprensione degli scienziati del ruolo dell'isoprene nella formazione della SOA. In precedenza, la maggior parte degli scienziati pensava che i livelli di ossidi di azoto, spesso prodotti dalle automobili, camion, e centrali elettriche che bruciano combustibili fossili, determinati livelli di SOA. Il suo studio ha scoperto che l'isoprene e le sostanze chimiche che si formano a causa di esso erano ancora più importanti dei soli livelli di ossido di azoto. Sono state le complesse interazioni tra i COV (incluso l'isoprene) e gli ossidi di azoto ad avere l'effetto maggiore di tutti sulle caratteristiche della SOA.

Da allora, altri studi di laboratorio hanno esaminato come i COV interagiscono con una varietà di inquinanti derivanti dalla combustione di combustibili fossili, compreso il solfato e l'ammoniaca prodotti dall'agricoltura. In entrambi gli studi, le emissioni prodotte dall'uomo ricoprivano i COV biologici. Ciò ha cambiato radicalmente sia il modo in cui i COV sono diventati SOA sia le caratteristiche stesse delle SOA.

Con queste intuizioni dal laboratorio, il progetto GoAmazon ha esaminato il modo in cui queste interazioni si sono svolte nel mondo reale. In particolare, il team di ricerca ha approfondito la relazione tra le emissioni delle piante e l'inquinamento provocato dall'uomo.

Per andare dove erano i dati, hanno pilotato un aereo proprio attraverso una colonna galleggiante di inquinamento dalla città di Manaus, che è nel profondo dell'Amazzonia. Gli scienziati hanno scoperto che i COV hanno reagito con l'ossigeno diverse volte più velocemente e più intensamente all'interno dell'area inquinata che al di fuori di essa. Inoltre, l'inquinamento ha cambiato radicalmente il processo di trasformazione dei COV in SOA. I ricercatori hanno misurato un numero di composti chimici all'interno del pennacchio che erano assenti al di fuori di esso.

Per terra, gli scienziati hanno campionato l'aria in una grande radura circondata dalla foresta pluviale. Esponendo l'aria ambiente ad alte concentrazioni di gas che reagiscono con i COV all'interno di un contenitore, hanno simulato i risultati di giorni o mesi di produzione SOA. Hanno scoperto che c'erano da quattro a cinque volte più SOA durante la stagione secca rispetto alla stagione delle piogge. Sorprendentemente, hanno anche scoperto che c'erano significativamente più SOA di quanto i soli VOC potessero produrre. Questo risultato suggerisce che i COV non sono gli unici gas che giocano un ruolo importante nella formazione della SOA, un'altra lacuna nella nostra comprensione.

In aria

Le cose decollano davvero quando le SOA si spostano nell'atmosfera.

"Gli aerosol agiscono come un seme per formare nuvole, " disse Ng. Se abbastanza vapore acqueo si condensa su di loro, possono eventualmente diventare gocce di pioggia.

Ma molto deve succedere prima che piova. dimensione delle SOA, di cosa sono fatti, come si muovono, e quanto tempo sono stati nell'aria determinano quanto bene assorbono o rilasciano l'acqua.

Uno degli studi di GoAmazon ha esaminato il modo in cui le particelle a base di carbonio (per lo più naturali) e le particelle non a base di carbonio (per lo più prodotte dall'uomo) hanno assorbito e rilasciato l'acqua in modo diverso. Precedenti studi di laboratorio hanno suggerito che il modo in cui le particelle raccolgono il vapore acqueo dipende principalmente dalle concentrazioni di inquinanti che interagiscono con le SOA. Ma nel mondo reale, dipendeva molto di più dalle concentrazioni di SOA e di altri aerosol stessi.

Un altro studio GoAmazon ha fornito risultati che contraddicevano le percezioni comunemente diffuse. Gli scienziati non pensavano che i più piccoli aerosol potessero influenzare la formazione delle nubi. Semplicemente non erano abbastanza grandi. Ma lo studio ha scoperto che queste minuscole particelle possono effettivamente rendere più intense le tempeste in Amazzonia, nuvole più grandi, e la pioggia è più probabile che cada.

"Questo studio apre una nuova porta per capire come gli aerosol influenzano le nuvole e il tempo in quelle regioni calde e umide, " ha detto Jiwen Fan, un altro scienziato del PNNL.

Sebbene lo studio non abbia determinato se questi minuscoli aerosol si siano sviluppati dai COV, uno studio di follow-up sta esaminando questo problema. L'ampliamento della conoscenza degli scienziati sugli effetti delle SOA sulla formazione delle nuvole aiuta gli scienziati a tracciare come cambiano i sistemi meteorologici e climatici nel tempo.

Le relazioni ecologiche intrecciate dell'Amazzonia, che vanno dagli alberi alle nuvole, continua a sorprendere gli scienziati.

Come ha detto Jardine, "Guardare le interfacce di questi sistemi è molto impegnativo, ma è anche dove si trova la maggior parte delle opportunità".