Science Advances: Между запахом скошенной травы и изменением климата есть связь

В рамках международного проекта CLOUD, осуществляемого в ядерном исследовательском центре CERN, ученые PSI определили, что так называемые сесквитерпены — газообразные углеводороды, выделяемые растениями, — являются одним из основных факторов формирования облаков.

Это открытие может уменьшить неопределенность в климатических моделях и помочь сделать более точные прогнозы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Согласно последним прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), к 2100 г. глобальный климат будет теплее доиндустриального уровня на 1,5-4,4 градуса Цельсия. Эта цифра основана на различных сценариях, описывающих развитие антропогенных выбросов парниковых газов в будущем. Таким образом, в лучшем случае, если нам удастся быстро и радикально ограничить выбросы, мы все же сможем достичь целевого показателя в 1,5 градуса, предусмотренного Парижским соглашением. В худшем случае мы окажемся намного выше этого показателя. Однако такие прогнозы также подвержены некоторой неопределенности. Например, в худшем случае, при продолжающемся резком росте выбросов, повышение температуры может составить не 4,4, а 3,3 или 5,7 градуса Цельсия.

Такая неопределенность в прогнозировании изменения температуры в результате конкретного развития событий в области выбросов парниковых газов связана в основном с тем, что ученые еще не до конца понимают все процессы, происходящие в атмосфере, — взаимодействия между различными газами и аэрозолями, находящимися в ней. Их установление является целью проекта CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) — международного сотрудничества исследователей атмосферы в центре ядерных исследований CERN в Женеве. PSI помог построить камеру CLOUD и является членом руководящего комитета проекта.

Тайна образования облаков

В частности, то, как будет развиваться облачный покров в будущем, пока остается во многом туманным. Однако этот фактор является одним из ключевых при прогнозировании климата, поскольку большее количество облаков отражает больше солнечной радиации, тем самым охлаждая поверхность Земли.

Для образования капель, из которых состоят облака, водяному пару необходимы ядра конденсации — твердые или жидкие частицы, на которых он может конденсироваться. Такими частицами являются разнообразные аэрозоли — мельчайшие твердые или жидкие частицы диаметром от 0,1 до 10 мкм, которые образуются и выбрасываются в воздух как природой, так и деятельностью человека. К таким частицам можно отнести, например, морскую соль, песок из пустыни, загрязняющие вещества от промышленности и транспорта или частицы сажи от пожаров. Однако около половины ядер конденсации на самом деле образуются в воздухе, когда различные газообразные молекулы соединяются и превращаются в твердые частицы — это явление специалисты называют «нуклеацией» или „образованием новых частиц“ (NPF). Вначале такие частицы имеют крошечный размер, едва превышающий несколько нанометров, но со временем они могут расти за счет конденсации газообразных молекул и затем становятся ядрами конденсации.

Парниковые газы, которые можно понюхать

Основным антропогенным газом, способствующим образованию частиц, является диоксид серы в виде серной кислоты, образующийся в основном при сжигании угля и нефти. Из природных газов наиболее важными являются так называемые изопрены, монотерпены и сесквитерпены. Это углеводороды, выделяемые в основном растительностью. Они являются ключевыми компонентами эфирных масел, запах которых мы ощущаем, например, когда косим траву или гуляем в лесу. Когда эти вещества окисляются, т.е. реагируют с озоном, в воздухе они образуют аэрозоли.

Следует отметить, что концентрация диоксида серы в воздухе в последние годы значительно снизилась благодаря ужесточению природоохранного законодательства и будет продолжать снижаться, — говорит Любна Дада, специалист по атмосферным явлениям из PSI.

Концентрация терпенов, напротив, растет, поскольку растения выделяют их больше, когда испытывают стресс — например, при повышении температуры и экстремальных погодных условиях, когда растительность чаще подвергается засухе.

Поэтому главный вопрос для улучшения прогнозов климата заключается в том, какой из факторов будет преобладать, что приведет к увеличению или уменьшению образования облаков. Чтобы ответить на него, необходимо знать, какой вклад вносит каждое из этих веществ в образование новых частиц. Многое уже известно о серной кислоте, а роль монотерпенов и изопрена стала более понятной благодаря измерениям в полевых условиях и камерным экспериментам типа CLOUD, в которых принимала участие компания PSI.

Сесквитерпены редки, но эффективны

До сих пор сесквитерпены не были объектом исследований.

Это связано с тем, что их довольно сложно измерить, — объясняет Дада.

Во-первых, потому что они очень быстро реагируют с озоном, а во-вторых, потому что встречаются гораздо реже, чем другие вещества.

Ежегодно выделяется около 465 млн тонн изопрена и 91 млн тонн монотерпенов, в то время как на долю сесквитерпенов приходится всего 24 млн тонн. Тем не менее, новое исследование, ведущим автором которого является Дада, показало, что эти соединения играют важную роль в формировании облаков. Согласно проведенным измерениям, они образуют в десять раз больше частиц, чем два других органических вещества в той же концентрации.

Для определения этого факта Дада и ее соавторы использовали уникальную камеру CLOUD в Европейской организации ядерных исследований (CERN). Камера представляет собой герметичное помещение, в котором можно моделировать различные атмосферные условия. «Эта климатическая камера объемом почти 30 куб. м является самой чистой в своем роде во всем мире», — говорит Дада. „Она настолько чиста, что позволяет изучать сесквитерпены даже в тех низких концентрациях, которые регистрируются в атмосфере“.

Именно это и было целью исследования. Оно было направлено на моделирование образования биогенных частиц в атмосфере. Более конкретно, исследователей интересовало изучение доиндустриальной эпохи, когда не было антропогенных выбросов диоксида серы. Это позволяет более четко определить влияние деятельности человека и спрогнозировать его на будущее. Однако антропогенный диоксид серы уже давно стал повсеместно присутствовать в природе. Это еще одна причина, по которой целесообразно использовать только камеру CLOUD. Кроме того, она позволяет получить доиндустриальную смесь в контролируемых условиях.

Стойкие частицы приводят к увеличению количества облаков

Эксперименты показали, что при окислении природной смеси изопрена, монотерпенов и сесквитерпенов в чистом воздухе образуется большое количество разнообразных органических соединений — так называемых ULVOCs (Ultra-Low-Volatility Organic Compounds). Как следует из названия, они не очень летучи и поэтому очень эффективно образуют частицы, которые со временем могут превратиться в ядра конденсации. Огромное влияние сесквитерпенов проявилось, когда исследователи добавили сесквитерпены в камеру с суспензией, состоящей только из изопренов и монотерпенов. Даже добавление всего двух процентов увеличило скорость образования новых частиц в два раза.

Это можно объяснить тем, что молекула сесквитерпена состоит из 15 атомов углерода, в то время как монотерпены — из десяти, а изопрены — из пяти, — говорит Дада.

С одной стороны, исследование открывает еще один способ влияния растительности на погоду и климат. Однако, с другой стороны, результаты исследования свидетельствуют о необходимости включения сесквитерпенов в качестве отдельного фактора в будущие климатические модели, наряду с изопренами и монотерпенами, для повышения точности прогнозов. Это особенно актуально в свете снижения концентрации диоксида серы в атмосфере и одновременного увеличения биогенных выбросов в результате климатического стресса, что означает, что последний, вероятно, будет приобретать все большее значение для нашего будущего климата. Однако для дальнейшего совершенствования прогнозов формирования облаков необходимы и другие исследования. Такие исследования уже планируются в Лаборатории химии атмосферы.

Далее, — заключает Имад Эль Хаддад, руководитель группы молекулярных процессов в атмосфере, — мы и наши партнеры по проекту CLOUD хотим выяснить, что именно произошло в период индустриализации, когда естественная атмосфера стала все больше смешиваться с антропогенными газами, такими как диоксид серы, аммиак и другие антропогенные органические соединения.

08.09.2023