Die Atmosphäre der Erde ist in kalten Klimazonen chemisch reaktiver

Die Zusammenhänge des System Erde | Christian Schaffrin | TEDxBodensee (Juli 2019).

Anonim

Unsichtbar in der Luft um uns herum sind winzige Moleküle, die den chemischen Cocktail unserer Atmosphäre antreiben. Wenn Pflanzen, Tiere, Vulkane, Waldbrände und menschliche Aktivitäten Partikel in die Atmosphäre speien, fungieren einige dieser Moleküle als Reinigungscrews, die diese Verschmutzung entfernen.

Die Hauptmoleküle, die für den Abbau all dieser Emissionen verantwortlich sind, heißen Oxidantien. Die sauerstoffhaltigen Moleküle, hauptsächlich Ozon- und wasserstoffbasierte Detergentien, reagieren mit Schadstoffen und reaktiven Treibhausgasen wie Methan.

Eine Studie der University of Washington, die am 18. Mai in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, zeigt, dass sich Oxidationsmittel bei großen Klimaschwankungen in eine andere Richtung bewegen als von den Forschern erwartet, was bedeutet, dass sie überdenken müssen, was diese Chemikalien in unserer Luft steuert.

"Oxidantien sind sehr reaktiv, und sie reagieren mit Schadstoffen und Treibhausgasen und reinigen die Atmosphäre", sagte die korrespondierende Autorin Becky Alexander, eine UW-Dozentin für Atmosphärenwissenschaften. "Wir wollten sehen, wie sich die Fähigkeit der Atmosphäre, sich selbst zu reinigen, mit dem Klima ändern könnte."

Der erste Autor Lei Geng, ein ehemaliger UW-Postdoktorand an der Universität Grenoble-Alpes, analysierte Scheiben aus einem grönländischen Eiskern im Labor für Isotopenchemie des UW. Der 100.000 Jahre alte Kern beginnt in einer relativ warmen Periode, deckt eine vollständige Eiszeit ab und endet in der heutigen Zeit mit einigen kürzeren Temperaturschwankungen auf dem Weg. Die Forscher nutzten eine neue Methode, um erstmals Veränderungen von atmosphärischen Oxidationsmitteln zu untersuchen - flüchtigen Chemikalien, die nicht direkt in Eisbohrkernen konserviert werden.

Die Forscher fütterten Bakterien, die die Flüssigkeit tranken, mit Schmelzwasser und schieden dann ein Gas aus, das mit Maschinen gemessen werden kann, die die Isotopenzusammensetzung von Gas verfolgen. Wenn man das Gewicht der Sauerstoffatome aus dem Schmelzwasser betrachtet, kann man sehen, wie viele von den zwei Hauptoxidationsmitteln stammten: Ozon, das in der Atmosphäre im Laufe der Zeit variiert, im Vergleich zu den Detergensmolekülen, von denen erwartet wird, dass sie ziemlich konstant bleiben.

"Wir haben festgestellt, dass das Zeichen der Veränderung das genaue Gegenteil von dem ist, was wir erwartet haben", sagte Alexander. "Und das deutet darauf hin, dass das, was wir für die Hauptursache für die Fülle an Oxidantien hielten, nicht die Hauptkontrolle war, und wir mussten uns einige andere Mechanismen ausdenken."

Atmosphärenwissenschaftler hatten geglaubt, dass die Ozonwerte steigen, wenn die Temperatur steigt. Ozon wird mit Wasserdampf und Emissionen von Pflanzen, Bodenbakterien und anderen Lebewesen produziert. Alle diese gehen mit der Erwärmung der Temperatur nach oben. Die Autoren erwarteten daher mehr Ozon in wärmeren Klimazonen.

Stattdessen stieg der Anteil von Ozon in kälteren Klimazonen. Wenn die Temperaturänderungen klein waren, stieg Ozon mit der Temperatur an, aber bei großen Temperaturschwankungen drehte sich diese Beziehung, mit mehr Ozon in den kalten Perioden.

Eine von den Autoren vorgeschlagene Hypothese ist eine Veränderung der Zirkulation zwischen der Troposphäre, der Luft über unseren Köpfen, und der Stratosphäre, der höher gelegenen Schicht, in der Nähe der meisten Flugzeuge. Luft zirkuliert zwischen diesen beiden, bewegt sich in den Tropen und fällt an den Polen wieder ab. Die Stratosphäre enthält mehr Ozon, das größtenteils in den Erhebungen in den Tropen gebildet wird. Wenn sich die Zirkulation beschleunigt, würde mehr Ozon aus der Stratosphäre an die Oberfläche gelangen.

"Es gibt Beweise dafür, dass die Brewer-Dobson-Zirkulation während des letzten glazialen Maximums stärker wurde", sagte Co-Autor Qiang Fu, ein Professor der UW für Atmosphärenwissenschaften. "Das bedeutet, dass es in den Tropen weniger stratosphärisches Ozon gab als in den hohen Breiten und dann mehr Ozon von der Stratosphäre in die Troposphäre."

Das ist eine Erklärung dafür, warum Ozon in kalten Klimazonen an die Oberfläche steigen würde. Diese Verschiebung in der Zirkulation würde auch dazu führen, dass mehr ultraviolette Strahlung die Tropen trifft, und UV und Wasserdampf sind die Haupttreiber für die Bildung der anderen Hauptgruppe von Oxidationsmitteln, den Detergentien. Die Eiszeit-Tropen könnten dann zu einer reichen Quelle von Detergenzien werden, die Schadstoffe und Treibhausgase wie Methan abbauen.

"Traditionell wurden Eiskern-Methan-Aufzeichnungen nur als eine Veränderung der Quelle interpretiert", sagte Alexander. "Aber Landoberflächenmodelle waren nicht in der Lage, das Ausmaß der Veränderung von Methan in Eisbohrkernen zu simulieren. Das deutet darauf hin, dass sich die Lebensdauer von Methan möglicherweise geändert hat, und der einzige Weg dazu besteht darin, die Menge an Waschmittel zu ändern in der Atmosphäre. "

Eine zweite mögliche Erklärung für den rätselhaften Ozon-Trend, so die Forscher, ist eine weniger bekannte Gruppe von Oxidantien: Halogene. Diese Moleküle sind wenig erforscht, und es ist nicht vollständig bekannt, wie sie das Klima beeinflussen, aber Forscher vermuten, dass sie reagieren könnten, um das Niveau anderer Oxidantien zu beeinflussen.

"Die größte Quelle von Halogenen stammt aus Meersalz, und wir wissen aus Eisbohrkernen, dass Meersalz in kälteren Klimaten viel höher ist", sagte Alexander. "Meereis ändert sich natürlich auch mit dem Klima."

Die Autoren vermuten, dass beide Mechanismen - die Zirkulation auf hohem Niveau und chemische Reaktionen mit Halogenen - Oxidationsmittel bei großen Schwankungen der Erdtemperatur beeinflussen könnten.

"Die Veränderungen, die wir in Bezug auf die Ozonkonzentration gemessen haben, scheinen ziemlich groß zu sein, wenn man nur einen Mechanismus gleichzeitig betrachtet, was darauf hindeutet, dass sie gleichzeitig und nicht notwendigerweise unabhängig voneinander handeln", sagte Alexander.

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