Baumerkennung bringt Klimaberechnungen durcheinander – Ars Technica

Jedes Jahr zwischen September und Dezember erzeugt Lubna Dada Wolken. Dada, ein Atmosphärenforscher, trifft sich mit Dutzenden Kollegen, um Experimente in einer 7.000 Gallonen fassenden Edelstahlkammer am CERN in der Schweiz durchzuführen. „Es ist wie ein Wissenschaftscamp“, sagt Dada, der untersucht, wie natürliche Emissionen mit Ozon interagieren und Aerosole erzeugen, die das Klima beeinflussen.

Wolken sind die größte Quelle Verdacht In Klimavorhersagen. Je nach Standort kann es zu Wolkendecke kommen Reflektieren Sie das Sonnenlicht von Land und Ozeanen, die ihre Wärme absorbieren würden, ein seltenes Merkmal in einer sich erwärmenden Welt. Es kann aber auch zurückgezogen werden fangen Hitze über dem Eis in der Arktis und Antarktis. Wissenschaftler wollen mehr darüber erfahren, was die Entstehung von Wolken verursacht und ob es sich hierbei um eine Kühlung oder eine Erwärmung handelt. Vor allem, sagt Dada, „wollen wir wissen, wie wir Menschen die Wolken verändert haben.“

Am Himmel ziehen Aerosolpartikel Wasserdampf oder Eis an. Wenn die kleinen nassen Kugeln groß genug werden, werden sie… Wolkensamen. Die Hälfte der Wolkendecke der Erde besteht aus Sand, Salz, Ruß, Rauch und Staub. Die andere Hälfte besteht aus Dämpfen, die von lebenden Organismen oder Maschinen, z. B. Maschinen, freigesetzt werden Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht.

Am CERN wiederholen Wissenschaftler diesen Vorgang, indem sie die Stahlkammer mit Dämpfen injizieren, die bestimmte Umgebungen darstellen. (Sie wird Wolkenkammer genannt, nachdem die kosmischen Tröpfchen im Freien zurückgelassen wurden.) Sie könnte beispielsweise die Gase simulieren, die über Städten vorkommen. Doch Dada, der normalerweise am Paul Scherrer Institut in der Schweiz arbeitet, ging zum Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN), um einen Blick in die Vergangenheit zu werfen. Ihr Team aus Wissenschaftlern aus der ganzen Welt wollte die Luft über Wäldern nachbilden, denn eine „reine“ Atmosphäre bezieht sich auf die Wolkenbildung vor der Industrialisierung. „Wir brauchen diesen Vergleich mit einer Zeit, als es keine menschlichen Emissionen gab, damit wir unsere Klimamodelle korrigieren können“, sagt sie.

In einem veröffentlichten Artikel Dieser Monat In „Science Advances“ hat Dadas Team einen leistungsstarken neuen Faktor bei der Wolkenbildung geschaffen: eine Art Chemikalie, die von Bäumen freigesetzt wird. Bäume emittieren Natürliche flüchtige Stoffe Wie Isopren und Monoterpene, die Funken erzeugen können Wolkenbildung Chemische Reaktionen. Dadas neue Arbeit konzentriert sich auf eine vernachlässigte Klasse weniger häufig vorkommender flüchtiger Stoffe, die Sesquiterpene genannt werden und je nach Molekül und Art der Pflanze oder Mikrobe, die sie abgeben, einen holzigen, erdigen, sauren oder würzigen Duft haben.

Das Team zeigt, dass Sesquiterpene bei der Bildung von Wolken wirksamer sind als erwartet. Nur ein Verhältnis von 1 zu 50 von Sesquiterpenen zu anderen flüchtigen Stoffen Verdoppelt Wolkenbildung.

Die Rolle, die Bäume bei der Bildung von Wolken spielen, ist wichtig, denn sie lässt darauf schließen, wie der Himmel über manchen Gebieten aussehen könnte, wenn die Regierungen die Schwefelemissionen begrenzen könnten. In einer Welt mit weniger Umweltverschmutzung werden Pflanzen und Bäume zum wichtigsten Treiber der Wolkenbildung werden, ein Echo der vormodernen Welt.

Diese Forschung könnte dazu beitragen, die Schätzungen darüber zu verbessern, wie die Atmosphäre vor der Industrialisierung war. Möglicherweise haben wir die Anzahl der Aerosole auf der Welt unterschätzt, indem wir einen großen Teil der von Bäumen stammenden Aerosole übersehen haben. Wenn ja, müssen die Klimamodelle umgerüstet werden.

„Die Bildung neuer Teilchen ist derzeit ein sehr heißes Thema“, sagt Paquita Zuidema, Atmosphärenforscherin an der University of Miami, die nicht an der Studie beteiligt war. „Uns wird immer klarer, dass wir nicht genau wissen, wie reines Wetter aussieht.“

Während anthropogene Emissionen die Wolkenbildung in besiedelten Gebieten dominieren, dominieren pflanzliche flüchtige Stoffe andernorts unberührte Gebiete. Laborgeräte sind in letzter Zeit empfindlich genug geworden, um zu verstehen, welche davon den größten Beitrag leisten.

Viele Entdeckungen über Sesquiterpene sind relativ neu. In 2010, Forscher haben sie entdeckt In der Nähe des Amazonas-Waldbodens. Hoch oben im Blätterdach waren Sesquiterpene schwer aufzuspüren. Dies deutet darauf hin, dass Ozon Sesquiterpene in wolkenfördernde Aerosole umwandelt. Dada berichtete über ein ähnliches System in Finnische Wälder und Moore letztes Jahr. „Wir sehen immer mehr, weil unsere Werkzeuge jetzt viel besser sind“, sagt sie. „Es gibt sie nicht nur im Amazonasgebiet.“

Als Dada und ihre Kollegen mit der neuen Studie begannen, wollten sie die Wolkenbildungsfähigkeit von Sesquiterpenen testen, indem sie die Luft in einem Wald simulierten, der nicht durch menschliche Emissionen gestört wurde. Sie begannen mit einer Grundlinie und maßen, was nach der Ionisierung einer atmosphärischen Mischung der häufigsten „biologisch“ flüchtigen Stoffe passiert: Isopren und Alpha-Pinen, ein Monoterpen. Diese Mischung säte wie erwartet die Wolken. Als nächstes machte das Team dasselbe und mischte ein Sesquiterpen namens β-Caryophyllen ein. Es stammt von Kiefern- und Zitrusbäumen und riecht nach gemahlenem Pfeffer.

Dada vermutete, dass Beta-Caryophyllen chemisch reagieren und ein Aerosol und schließlich eine Wolke bilden sollte. Sie und ihr Team standen im Kontrollraum und überwachten 15 Monitore, auf denen in Echtzeit Daten wie Aerosolgrößen und -konzentrationen angezeigt wurden. Sie wüssten, dass sie Recht hatte, wenn die Grafik der Partikelgrößen auf einem Bildschirm ihre Farbe ändern würde. Es wächst und verfärbt sich von Blau zu Bananengelb, wenn die Anzahl der Wolkensamen zunimmt.

In der ersten Runde wurde die Grafik gelb. Dada hatte recht. („Wir schrien alle ‚Banane! Banane! Banane!‘“, erinnert sie sich.) Die Zugabe von nur 2 Volumenprozent Beta-Caryophyllen zu der Mischung verdoppelte die Wolkenbildung und ließ die Moleküle wachsen. Schneller. Dies war das erste Experiment, das zeigte, wie Sesquiterpene Wolken bilden. Dada sagt, er habe gezeigt, dass dies zwar nur einen kleinen Bruchteil der von Bäumen ausgeatmeten Verbindungen ausmache, „der Beitrag jedoch enorm ist“.

„Die Zugabe von ein wenig Sesquiterpen hat einen sehr großen Effekt“, sagt Jiwen Fan, ein Atmosphärenforscher am Argonne National Laboratory, der nicht an der Studie beteiligt war. Selbst wenn Sesquiterpene „Mikro“-Aerosole produzieren, die nicht groß genug sind, um Wolken zu bilden, können sie dennoch das Wetter beeinflussen. Im Jahr 2018 zeigte Fan, dass massive Regenwolken, wenn sie ultrafeine Aerosole „verschlucken“, neue Tröpfchen bilden. Gewitter aktivieren.

Für Fan deuten die neuen Daten darauf hin, dass Sesquiterpene dazu beitragen könnten, den globalen Aerosolfluss besser zu erklären. Aerosole bewirken, dass Wolken mehr Wärme von der Erde ableiten, ein Effekt, der als „Strahlungsantrieb“ bekannt ist. (Das ist die Idee dahinter Verschwörungen Zum Geologie-Ingenieur Aerosolatmosphäre: künstlich erzeugte Wolken, die die Erde abkühlen können.) Mehr Aerosole bedeuten mehr reflektierende Wolken, die weißer erscheinen, länger halten und weniger Regen fallen.

Doch Wissenschaftler haben Schwierigkeiten, die Anzahl der Aerosole zu simulieren, die in den Modellen berücksichtigt werden müssen. „Es ist schon seit langem ein Problem“, sagt Fan. „Viele Klimamodelle überschätzen die Auswirkungen menschengemachter Aerosole.“ Vielleicht liegt das daran, dass sie die Ausbreitung natürlicher Aerosole – von Mikroben, Pflanzen und Bäumen – vor der industriellen Revolution unterschätzten. „Vielleicht ist das, was wir als Referenzpunkt verwenden, tatsächlich nicht so wenig Aerosol, wie wir dachten“, stimmt Zuidema zu.

Durch die Quantifizierung der Art und Weise, wie Bäume Wolken bilden, können Wissenschaftler das zukünftige und vergangene Klima besser vorhersagen. Industrieemissionen reduzieren einen Teil der Erwärmung durch Strahlungsantrieb, da Schwefelaerosole reflektierende Wolken erzeugen können. Aber wenn Bioaerosole häufiger vorkommen als erwartet Vor Im verarbeitenden Gewerbe sind Beiträge der Industrie weniger wichtig.

Es ist schwer vorherzusagen, was uns diese Neuberechnung über die globale Erwärmung sagen könnte, da es in einem dynamischen Klima so viele bewegliche Teile gibt. Beispielsweise führen Hitzestress, extremes Wetter und Dürre zum Rückgang der Pflanzen Freisetzung von mehr bioaktiven flüchtigen Stoffen– Was mehr Wolken wachsen lässt. Abholzung und Hitzestress sind Baumgrenzen zur Migration verschieben in größere Höhen und Breiten. das beeinflusst Wo Es bilden sich Wolken.

„Es ist eine Rückkopplungsschleife“, sagt Dada. „Das Klima beeinflusst die Wolkenbildung, und Wolken beeinflussen das Klima.“

Bessere Klimamodelle werden Wissenschaftlern dabei helfen, die besten Abhilfemaßnahmen vorherzusagen: „Wenn wir mehr Wolken brauchen, wenn wir weniger Wolken brauchen“, sagt Dada. Das Dilemma besteht jedoch darin, dass Klimamodelle einen unglaublich hohen Rechenaufwand erfordern. Es ist möglicherweise nicht einfach, die Physik von etwas so Kleinem wie Baumspray zu berücksichtigen.

Dada kehrt diesen Herbst für weitere Tests zum CERN zurück. Ihr Team möchte nun herausfinden, wie anthropogene Emissionen wie Schwefeldioxid die Fähigkeit von Pflanzen, Wolken zu bilden, beeinflussen. Sie können sich gegenseitig verlangsamen oder beschleunigen. Ihr Ziel ist es, ihre Schlussfolgerungen auf Gebiete auszudehnen, die nicht rein sind, wie etwa Wälder, wo es viele Arten gemischter Emissionen gibt. „Wir versuchen, anthropogene Faktoren hinzuzufügen, um ein realistischeres Bild von fast jedem Ort auf der Welt zu erhalten“, sagt sie.

Diese Geschichte erschien ursprünglich auf Wired.com.