Kao deo međunarodnog projekta CLOUD u nuklearnom istraživačkom centru CERN, istraživači u PSI su identifikovali takozvane seskviterpene — gasovite ugljovodonike koje biljke oslobađaju — kao glavni faktor u formiranju oblaka. Ovaj nalaz bi mogao smanjiti nesigurnost u klimatskim modelima i pomoći u preciznijim predviđanjima. Studija je sada objavljena u časopisu Science Advances.
Prema najnovijim projekcijama Međuvladinog panela za klimatske promene (IPCC), globalna klima će biti 1,5 do 4,4 stepena Celzijusa toplija od predindustrijskog nivoa do 2100. godine. Ova cifra se zasniva na različitim scenarijima koji opisuju kako se mogu razviti antropogene emisije gasova staklene bašte ubuduće. Dakle, u najboljem slučaju, ako uspemo da brzo i radikalno ograničimo emisije, i dalje možemo da ispunimo cilj od 1,5 stepena iz Pariskog sporazuma.
U najgorem slučaju, završićemo daleko iznad toga. Međutim, takve projekcije su takođe podložne izvesnoj neizvesnosti. U najgorem slučaju, na primer, sa emisijama koje nastavljaju naglo da rastu, porast temperature mogao bi da bude čak 3,3 ili čak 5,7 stepeni Celzijusa, umesto 4,4 stepena.
Ove nesigurnosti u predviđanju kako će se temperature promeniti kao rezultat konkretnog razvoja emisije gasova staklene bašte su u suštini posledica činjenice da naučnici još uvek ne razumeju u potpunosti sve procese koji se dešavaju u atmosferi – interakcije između različitih gasova i aerosola u njoj. . Njihovo uspostavljanje je cilj projekta CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets), međunarodne saradnje između istraživača atmosfere u CERN-ovom centru za nuklearna istraživanja u Ženevi. PSI je pomogao u izgradnji CLOUD komore i član je upravnog odbora projekta.
Naročito način na koji će se oblačnost razvijati u budućnosti ostaje uglavnom maglovita za sada. Međutim, ovo je ključni faktor u predviđanju klime jer više oblaka reflektuje više sunčevog zračenja, čime se hladi Zemljina površina.
Da bi se formirale kapljice koje čine oblake, vodenoj pari su potrebna jezgra kondenzacije, čvrste ili tečne čestice na kojima će se kondenzovati. Oni su obezbeđeni širokim spektrom aerosola, sitnih čvrstih ili tečnih čestica prečnika između 0,1 i 10 mikrometara, koji se proizvode i ispuštaju u vazduh kako u prirodi tako i ljudskom aktivnošću. Ove čestice mogu uključivati so iz mora, pesak iz pustinje, zagađivače iz industrije i saobraćaja, ili čestice čađi iz požara, na primer.
Međutim, otprilike polovina kondenzacionih jezgara se zapravo formira u vazduhu kada se različiti gasoviti molekuli kombinuju i pretvore u čvrste materije, fenomen koji stručnjaci nazivaju „nukleacija“ ili „formiranje novih čestica“ (NPF). Za početak, takve čestice su sićušne, jedva veće od nekoliko nanometara, ali tokom vremena mogu da rastu kondenzacijom gasovitih molekula i zatim služe kao kondenzaciona jezgra.
Glavni antropogeni gas koji doprinosi stvaranju čestica je sumpor-dioksid u obliku sumporne kiseline, uglavnom iz sagorevanja uglja i nafte. Najvažniji prirodni gasovi koji su uključeni su takozvani izopren, monoterpeni i seskviterpeni. To su ugljovodonici koje uglavnom oslobađa vegetacija. One su ključne komponente esencijalnih ulja koje osećamo kada, na primer, kosimo travu ili idemo u šetnju šumom. Kada ove supstance oksidiraju, odnosno reaguju sa ozonom, u vazduhu formiraju aerosole.
„Treba napomenuti da je koncentracija sumpor-dioksida u vazduhu značajno smanjena poslednjih godina zbog strožih ekoloških zakona i da će nastaviti da se smanjuje“, kaže Lubna Dada, atmosferski naučnik u PSI.
„Koncentracija terpena, s druge strane, raste jer biljke oslobađaju više njih kada dožive stres – na primer kada dođe do povećanja temperature i ekstremnih vremenskih uslova i vegetacija je češće izložena suši.“
Veliko pitanje za poboljšanje klimatskih predviđanja je stoga koji od faktora će preovladavati, što će dovesti do povećanja ili smanjenja formiranja oblaka. Da bismo odgovorili na ovo, trebalo bi da znamo kako svaka od ovih supstanci doprinosi stvaranju novih čestica. O sumpornoj kiselini se mnogo toga već zna, a uloga monoterpena i izoprena sada je takođe bolje shvaćena zahvaljujući merenjima na terenu i eksperimentima u komori kao što je CLOUD, u koje je bio uključen PSI.
Do sada seskviterpeni nisu bili u fokusu istraživanja. „To je zato što ih je prilično teško izmeriti“, objašnjava Dada. „Prvo zato što veoma brzo reaguju sa ozonom, a drugo zato što se javljaju mnogo ređe od ostalih supstanci.
Svake godine se oslobodi oko 465 miliona metričkih tona izoprena i 91 milion metričkih tona monoterpena, dok seskviterpeni čine samo 24 miliona metričkih tona. Ipak, nova studija, čiji je Dada glavni autor, pokazala je da ova jedinjenja igraju važnu ulogu u formiranju oblaka. Prema merenjima, formiraju deset puta više čestica od druge dve organske supstance u istoj koncentraciji.
Da bi to utvrdili, Dada i njeni koautori koristili su jedinstvenu komoru CLOUD u Evropskoj organizaciji za nuklearna istraživanja, CERN. Komora je zatvorena prostorija u kojoj se mogu simulirati različiti atmosferski uslovi. „Sa skoro 30 kubnih metara, ova klimatska komora je najčistija te vrste u svetu“, kaže Dada. „Toliko čist da nam omogućava da proučavamo seskviterpene čak i pri niskim koncentracijama zabeleženim u atmosferi.“
Upravo je to bilo ono što je studija nameravala da uradi. Dizajniran je da simulira formiranje biogenih čestica u atmosferi. Tačnije, istraživači su bili zainteresovani za proučavanje predindustrijskih vremena, kada nije bilo antropogenih emisija sumpor-dioksida. Ovo omogućava da se efekat ljudskih aktivnosti jasnije odredi i projektuje u budućnost. Međutim, antropogeni sumpor dioksid je odavno postao sveprisutan u prirodi. Ovo je još jedan razlog zašto je samo komora OBLAKA bila održiva. Takođe omogućava proizvodnju predindustrijske mešavine u kontrolisanim uslovima.
Eksperimenti su otkrili da oksidacija prirodne mešavine izoprena, monoterpena i seskviterpena u čistom vazduhu proizvodi veliki izbor organskih jedinjenja – takozvanih ULVOC (Ultra-Lov-Volatiliti Organic Compounds). Kao što ime sugeriše, oni nisu mnogo isparljivi i stoga veoma efikasno formiraju čestice, koje vremenom mogu da narastu i postanu jezgra kondenzacije.
Ogroman efekat seskviterpena otkriven je kada su istraživači dodali seskviterpene u komoru sa suspenzijom samo izoprena i monoterpena. Čak i dodavanje samo dva procenta udvostručilo je brzinu formiranja novih čestica. „Ovo se može objasniti činjenicom da se molekul seskviterpena sastoji od 15 atoma ugljenika, dok se monoterpeni sastoje od samo deset, a izopren samo pet“, kaže Dada.
S jedne strane, studija otkriva još jedan način na koji vegetacija može uticati na vremenske prilike i klimu. Iznad svega, međutim, rezultati istraživanja sugerišu da bi seskviterpene trebalo uključiti kao poseban faktor u buduće klimatske modele, pored izoprena i monoterpena, kako bi njihova predviđanja bila tačnija.
Ovo je posebno tačno u svetlu smanjenja koncentracije sumpor-dioksida u atmosferi i istovremenog povećanja biogenih emisija kao posledica klimatskog stresa, što znači da će poslednje verovatno postati sve važnije za našu buduću klimu. Međutim, potrebne su i druge studije kako bi se dodatno poboljšala predviđanja formiranja oblaka. One se već planiraju u Laboratoriji za atmosfersku hemiju.
„Sledeće“, kaže Imad El Hadad, vođa grupe za atmosferske molekularne procese, „mi i naši CLOUD partneri želimo da istražimo šta se tačno dogodilo tokom industrijalizacije, kada se prirodna atmosfera sve više mešala sa antropogenim gasovima kao što su sumpor dioksid, amonijak i drugi antropogeni organska jedinjenja.“
