Ein Jahrzehnt GoAmazon – CleanTechnica

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Zehn Jahre später haben sich in Brasilien gesammelte Daten als äußerst einflussreich für die Atmosphärenwissenschaft erwiesen: GoAmazon

Der Blick über den Amazonas-Regenwald kann wie ein riesiges Baummeer wirken. Seine Größe, die relativ isolierten Gebiete und die Artenvielfalt machen es zu einer einzigartigen Umgebung und einem natürlichen Labor. Damit kommen moderne Beobachter der Atmosphäre der Messung vorindustrieller Bedingungen über Land am nächsten.

Für Forscher, die verstehen möchten, wie menschliche Aktivitäten die Atmosphäre beeinflusst haben, kann die relativ unverschmutzte Luft des Amazonas wichtige Basisdaten liefern. Jahrhunderte der Industrialisierung haben in den meisten Teilen der Welt einen vom Menschen beeinflussten Hintergrund geschaffen. Doch Gebiete im Amazonasgebiet sind nach wie vor ausreichend von umweltschädlichen Aktivitäten isoliert, um als wirksame Ersatzstoffe für vorindustrielle Bedingungen zu dienen.

Allerdings ist der Amazonas nicht völlig isoliert. Es gibt nicht nur Wald, sondern auch zahlreiche menschliche Siedlungen, wie zum Beispiel die Stadt Manaus. Mit knapp über 2 Millionen Einwohnern ist Manaus die größte Stadt im Amazonasgebiet. Es ist die einzige Quelle für vom Menschen verursachte Emissionen in einem Teil des Amazonasgebiets und erzeugt eine Schadstoffwolke, die überwacht werden kann.

Im Januar 2014 begannen die Benutzereinrichtung „Atmospheric Radiation Measurement“ (ARM) des US-Energieministeriums (DOE) und Partnerinstitutionen mit der zweijährigen Laufzeit Feldkampagne „Green Ocean Amazon“ (GoAmazon2014/15)., Sammeln von Daten im Amazonasgebiet in der Nähe von Manaus. Der Standort, eine nahezu unberührte Umgebung mit einer einzigen eindeutigen Quelle menschlichen Einflusses, war ein ideales natürliches Labor.

Die von GoAmazon gewonnenen Boden- und Luftdaten haben dazu geführt über 160 Aufsätze seit dem Ende der Kampagne. Diese Zahl, die GoAmazon in Bezug auf Zeitschriftenartikel zur produktivsten ARM-Kampagne macht, nimmt weiter zu, da Forscher daraus neue Erkenntnisse gewinnen frei verfügbare GoAmazon-Datensätze.

Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) haben bei GoAmazon eine wichtige Rolle gespielt, von den ursprünglichen Messungen der Feldkampagne bis hin zu nachfolgenden Veröffentlichungen. GoAmazon-Daten haben es Wissenschaftlern ermöglicht, Aerosole besser zu verstehen, atmosphärische Prozesse zu modellieren und den Einfluss des Menschen auf die Atmosphäre zu identifizieren.

Aerosole verstehen im Naturlabor

Während GoAmazon viele Arten von Daten produzierte, konzentrieren sich viele der wichtigen wissenschaftlichen Schlussfolgerungen der Kampagne auf Aerosole – ihre Entstehung, ihr Verhalten und ihre Wechselwirkungen mit anderen atmosphärischen Prozessen.

„Wir wollten wissen, wie sich Aerosolpartikel im Amazonas bilden“, sagt der Co-Ermittler der Kampagne John Schilling, ein Atmosphärenchemiker am PNNL. „Der GoAmazon-Feldstandort von ARM war perfekt positioniert, um uns die Beobachtung sowohl natürlicher Aerosolprozesse als auch des Einflusses menschlicher Emissionen auf Aerosole zu ermöglichen. Wir könnten nicht nur untersuchen, wie die Partikel entstehen, sondern auch, wie sie wachsen.“

Den Hintergrund des Waldes zu verstehen, war der erste Schritt. Da sich die meisten anderen isolierten Bereiche der Atmosphäre über Ozeanen befinden, zeigte GoAmazon wichtige Unterschiede in der Aerosolbildung an Land auf. Die Daten zeigten, dass Bäume eine zentrale Rolle bei der natürlichen Aerosolbildung spielen. Sie geben kleine kohlenstoffbasierte oder organische Moleküle in die Luft ab, die mit anderen natürlich vorkommenden Chemikalien reagieren können.

Einer dieser natürlichen Emissionen sticht hervor. Forscher fanden im Jahr 2017 heraus dass Isopren, das am häufigsten von Pflanzen freigesetzte organische Gas ohne Methan, über dem Amazonas in bis zu dreimal höheren Konzentrationen vorhanden war als mit anderen Methoden beobachtet.

GoAmazon-Wissenschaftler haben mit Instrumenten des inzwischen ausgemusterten Forschungsflugzeugs Gulfstream-159 (G-1) von ARM, das von PNNL für DOE betrieben wird, direkt Proben aus der Atmosphäre genommen, um die Isoprenkonzentrationen zu bestimmen. Die meisten bisherigen Daten stammten von Satelliten, die eine relativ geringe Auflösung haben, oder von stationären Instrumenten, die sich auf die Messung eines einzelnen geografischen Gebiets beschränken. Da ein Großteil des weltweiten Isoprens aus dem Amazonasgebiet stammt, ist die genaue Quantifizierung der Emissionen für die Verbesserung der Modelle der Atmosphärenchemie über Wäldern von entscheidender Bedeutung.

Über das Verständnis der natürlichen Prozesse in Wäldern hinaus bot die Lage des GoAmazon-Studienstandorts direkt auf dem Weg der Verschmutzung von Manaus die Möglichkeit zu untersuchen, wie menschliche Aktivitäten das natürliche atmosphärische Verhalten beeinflussen. Das haben Forscher herausgefunden Die Schadstofffahne interagiert mit den von den Bäumen freigesetzten organischen Molekülen. Die kleinen Hintergrundpartikel werden viel größer als in Zeiten, in denen die Wolke fehlt. Dies weist darauf hin, dass zwischen natürlichen und vom Menschen verursachten Aerosolen eine unterschiedliche Chemie im Spiel ist.

„An den meisten Orten hindert uns die Hintergrundverschmutzung daran, zu verstehen, wie die vorindustrielle Atmosphäre gewesen sein könnte“, sagt Shilling. „Mit den GoAmazon-Daten konnten wir die Auswirkungen der Verschmutzung auf die Aerosolprozesse deutlich erkennen.“

Wenn sie versuchen, Beobachtungen zu reproduzieren, die an Orten wie dem Amazonas gemacht wurden, aber in einer kontrollierteren Umgebung, greifen PNNL-Forscher wie Shilling auf ein Werkzeug zurück, das viel näher an ihrer Heimat liegt: das Atmosphärenmesslabor. Dort können sie in einer Kammer, die mit Gasen gefüllt ist, die reale Emissionen darstellen, die Prozesse simulieren, die die Bildung und das Wachstum von Aerosolen steuern, und dabei jeweils eine Variable ändern. Indem die Kammer die chemischen Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre herausarbeitet, enthüllt sie neue Details, die in immer robustere Erdsystemmodelle einfließen.

Modellieren zum Verstehen

Einige Studien, einschließlich von DOEs finanzierter Arbeiten Atmosphärische Systemforschung Programm, haben Datenanalyse und Modellierung kombiniert, um Erkenntnisse zu gewinnen, die mit keinem der beiden Ansätze allein gewonnen werden könnten. Durch diese Art von Studien haben Wissenschaftler herausgefunden, wie Emissionen aus menschlichen Aktivitäten die Aerosolbildung beeinflussen und wie sich die erhöhte Menge an Aerosolen auf Wolken auswirkt.

„Die Modellierung war anfangs eine ziemliche Herausforderung“, sagt er ManishKumar Shrivastava, ein Geowissenschaftler am PNNL. „Die Modelle hatten Schwierigkeiten, ein Gebiet mit so geringer Verschmutzung darzustellen. Wir fanden heraus, dass der Großteil des Kohlenstoffs in den Aerosolen zwar natürlich vorkommt, die Verschmutzung durch Manaus jedoch die Chemie in der Atmosphäre erheblich beeinflusst.“

Shrivastava und sein Team identifizierten die Emission von Stickoxiden aus menschlichen Aktivitäten – von denen bekannt ist, dass sie das Aerosolverhalten beeinflussen – als ein wichtiger Akteur bei den massiven Aerosolverbesserungen, die in den GoAmazon-Daten beobachtet werden. Die Daten zeigten einen Anstieg der Aerosolbildung um bis zu 400 %, wenn die Schadstofffahne von Manaus vorhanden war, verglichen mit der Zeit, in der sie nicht vorhanden war.

Der massive Aerosolanstieg entsteht durch Wechselwirkungen zwischen den natürlichen organischen Molekülen und Stickoxiden. Die Stickoxide können mit den natürlichen Emissionen reagieren, die chemische Zusammensetzung der Moleküle in der Atmosphäre verändern und beeinflussen, welche Arten weiterer chemischer Reaktionen stattfinden können.

Das bedeutet, dass dort, wo die Schadstofffahne weht, deutlich mehr Aerosolpartikel vorhanden sind. Und all diese Teilchen tun mehr als nur zu existieren. Sie können die Wolken beeinflussen.

„Die Ergebnisse von GoAmazon haben unser Verständnis der menschlichen Einflüsse auf Aerosol und Klima grundlegend verändert“, sagt Jiwen Fan, der diese Arbeit am PNNL durchführte, bevor er stellvertretender Abteilungsleiter für Umweltwissenschaften am Argonne National Laboratory wurde. „Bisher ging man allgemein davon aus, dass ultrafeine Partikel, wie wir sie in GoAmazon beobachtet haben, zu klein seien, um die Wolkenbildung zu beeinflussen. Unsere Daten und Modellergebnisse zeigten das Gegenteil und öffneten die Tür zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen über Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen.“

Eine von Fan geleitete Studie aus dem Jahr 2018 zeigten, dass diese ultrafeinen Aerosolpartikel als Keime für die zahlreichen Wassertröpfchen in Stürmen dienen können. Das Vorhandensein dieser durch Verschmutzung verursachten zusätzlichen Tröpfchen kann die Umwandlung von Wasserdampf in Wolkenwasser verstärken und Wolken verstärken. Diese Ergebnisse verdeutlichen den möglichen Einfluss von Menschen verursachter Emissionen auf Wolken.

Die Arbeit wurde fortgesetzt, mit neuere Forschung Wir untersuchen genau, wie diese winzigen Aerosolpartikel groß genug werden, um Wolken zu bilden. Die kleinen Partikel, die aus vom Menschen verursachten Emissionen stammen, können dann mit den natürlich vorkommenden Emissionen des Regenwaldes interagieren. Die organischen Verbindungen in der Atmosphäre kondensieren dann an den kleinen Aerosolpartikeln und machen diese dadurch größer.

Einige der größeren Partikel erreichen den Punkt, an dem sie Keime für Wolken bilden können, und zwar in viel größerer Zahl als ohne menschlichen Einfluss. Die Zunahme der Wolkenkeime beeinflusst die Bildung flacher Wolken. Wenn zusätzliche Partikel vorhanden sind, entstehen Wolken, die aus mehr, aber kleineren Partikeln bestehen. Diese Wolken streuen mehr Licht und erzeugen weniger Regen. Dies zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen Verschmutzung und Wetter über dem Amazonas.

Ein Testgelände für Nachwuchswissenschaftler

GoAmazon bot Wissenschaftlern, auch denen, die gerade ihre Karriere beginnen, unschätzbare Erfahrungen und Einblicke. Zahlreiche Postdoktoranden, Doktoranden und Nachwuchswissenschaftler konnten an der zweijährigen Feldphase der Kampagne teilnehmen.

Einige Wissenschaftler haben GoAmazon-Datensätze genutzt, um schon früh in ihrer Karriere innovative Arbeiten durchzuführen. Im Jahr 2018 Shrivastava erhielt eine Auszeichnung des DOE Early Career Research Program bessere Darstellungen zu entwickeln, wie komplexe organische Aerosolprozesse die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken in Modellen beeinflussen. Die einzigartigen und detaillierten Daten von GoAmazon haben eine wichtige Rolle im laufenden Projekt von Shrivastava gespielt.

„Die Weiterentwicklung von Modellen ist eine faszinierende Herausforderung“, sagt Shrivastava. „Man beginnt sowohl mit einem Modell als auch mit experimentellen Daten, die im Allgemeinen nicht übereinstimmen. Die Hauptfrage ist, warum. Dazu muss herausgefunden werden, welche Prozesse das Modell nicht richtig darstellt.“

Zum Beispiel Shrivastava führte Arbeit, die identifiziert die Rolle, die die Kopplung der Pflanzenbiochemie mit der Wolkenkonvektion bei der Aerosolbildung über dem Amazonas spielt. Die Pflanzenbiochemie ist eine wichtige, aber übersehene Quelle für die Emissionen organischer Gase, die beim Transport in große Höhen durch Wolken zu Aerosolpartikeln kondensieren.

Durch ein besseres Verständnis der verschiedenen Prozesse, die über dem Amazonas ablaufen, können Wissenschaftler die Art und Weise verbessern, wie regionale Modelle die Wechselwirkungen zwischen der Erdoberfläche, Wolken und Aerosolen simulieren.

Diese Funktion wurde von einem übernommen Artikel veröffentlicht auf arm.gov.

Mit freundlicher Genehmigung von Pacific Northwest National Laboratory.