根據太平洋西北國家實驗室(PNNL)的科學家的一項新研究，植物葉子產生的氣體在亞馬遜雨林上空產生了一種以前未知的大氣現象。這一發現對大氣科學和氣候變化建模具有重大意義。

PNNL地球科學家和該研究的主要調查者Manish Shrivastava說道：“熱帶亞馬遜雨林構成了地球之肺，這項研究將森林中的自然過程跟氣溶膠、雲層和地球的輻射平衡聯繫在一起，而這是以前沒有認識到的。”

這項研究最近發表在《ACS Earth and Space Chemistry》A上。

填補缺失的數據差距

Shrivastava和他的同事在研究高層大氣中的細小顆粒時觀察到他們的結果跟根據現有大氣模型的估計而預期的結果之間存在著巨大差異。進一步的調查顯示，目前的大氣模型中缺少關鍵的森林跟大氣的相互作用，而這種作用制約著高層大氣中細小顆粒的數量。

研究人員發現了一個以前未被認識到的過程，這涉及到亞馬遜雨林中植物產生的半揮發性氣體並由雲層帶入高層大氣。這些氣體是天然的碳基化合物並在高空大氣中很容易凝結成細小的顆粒。Shrivastava指出，這種方法在高海拔和低溫條件下產生細顆粒的效率特別高。這些細顆粒通過降低到達地球的陽光量而使地球變冷。它們還會產生雲，進而影響降水和水循環。

Shrivastava說道：“如果沒有對有機氣體的半揮發性來源的充分了解，我們根本無法解釋高海拔地區關鍵顆粒成分的存在和作用。”

大氣過程中的關鍵性發現

Shrivastava的研究項目由美國能源部(DOE)早期職業研究獎資助，涉及調查被稱為異戊二烯-環氧二醇二次有機氣溶膠(EPOX-SOAs)的氣溶膠顆粒的形成，這些顆粒由在不同高度飛行的飛機測量。

IEPOX-SOAs是在對流層所有高度發現的細小顆粒的基本組成部分，對流層是指從地球表面延伸到熱帶地區上方約20公里高度的大氣區域。然而大氣模型並沒有充分考慮到這些顆粒及其對地球上空的雲的影響。

Shrivastava指出：“由於模型不會預測亞馬遜地區10到14公里高度的觀察到的IEPOX-SOA負荷，我們得到了我認為是模型失敗或對測量結果缺乏理解的結果。我可以解釋地表的情況，但無法解釋高海拔地區的情況。”

Shrivastava和他的團隊搜索了由Grumman Gulfstream-159（G-1）飛機收集的數據，這是一個由大氣輻射測量(ARM)航空設施運營的能源部飛行實驗室，它被飛到了5公里的高度。該小組還比較了一架被稱為高海拔和長距離研究飛機(HALO)的德國飛機所收集的數據，該飛機的飛行高度達到14公里。Shrivastava表示，根據模型的預測，他們的IEPOX-SOAs的負荷應該比測量的結果至少低一個數量級。他和他在PNNL以外的同事則都無法解釋測量結果跟模型預測結果之間的差異。

而在該團隊的研究之前，科學家們認為IEPOX-SOAs主要是由多相大氣化學途徑形成的。然而產生IEPOX-SOAs所需的大氣化學途徑並不發生在對流層上部，因為其溫度極低，條件乾燥。在那個高度，顆粒和雲層被凍結並缺乏液態水。因此，研究人員無法用現有的模型解釋在10至14公里的高度觀察到的它們的形成。

為了揭開這個謎團，研究人員將專門的高空飛機測量和詳細的區域模型模擬結合起來，然後利用PNNL的環境分子科學實驗室的超級計算資源進行模擬。他們的研究揭示了大氣過程中未被發現的部分。一種被稱為2-甲基四醇的半揮發性氣體被雲層上升氣流輸送到寒冷的對流層上部。然後該氣體凝結成顆粒進而被飛機檢測為IEPOX-SOAs。

Shrivastava指出：“這當然是一個重要的發現，因為它有助於我們了解這些細小的顆粒是如何形成的，因此對森林中的自然過程如何冷卻地球並促成雲和降水有了新的認識。伴隨著全球氣候的變化和亞馬遜許多地方的快速砍伐，人類正在擾亂製造大氣中細小顆粒和調節全球變暖的關鍵自然過程。”

為進一步的大氣研究打開大門

Shrivastava表示，在了解這個新發現的大氣過程及它如何影響大氣中細小顆粒的形成方面，該團隊的發現只是觸及表面。他說，從植物中新發現的過程可以解釋世界上其他森林地區上空的一系列廣泛的大氣顆粒現象。

“在宏偉的計劃中，這只是我們所知道的開始並將為土地-大氣-氣溶膠-雲的相互作用開闢新的研究領域。了解森林如何產生這些顆粒可以幫助我們了解砍伐森林和不斷變化的氣候將如何影響全球變暖和水循環，”Shrivastava說道。