由法兰克福歌德大学、马克斯-普朗克化学研究所、赫尔辛基大学、莱布尼茨对流层研究所和巴西合作机构的研究人员参与的两项突破性研究发现了一种新的气候机制。亚马逊雨林通过植物蒸腾作用释放出大量气态异戊二烯。 以前，科学家们认为异戊二烯无法远距离进入大气层，因为它在阳光照射下很快就会分解。 然而，《自然》杂志封面故事中介绍的来自 CAFE-巴西测量活动的数据揭示了一个不同的见解。
研究表明，亚马逊河流域的异戊二烯可以通过夜间雷暴上升到高空，帮助气溶胶和云的形成。 这挑战了之前关于异戊二烯退化的假设，并强调了自然排放和雨林健康对气候的影响。 资料来源：菲利普-霍尔茨贝克，德国化学研究所
研究表明，夜间雷暴会将异戊二烯带到高达 15 公里的高空。 在这些高空，异戊二烯发生反应，形成化合物，产生大量新的气溶胶粒子。 这些微粒不断增大，成为凝结核，促进了云的形成。 这一过程可能会影响气候，凸显了雨林生态系统与大气动力学之间复杂的相互作用。
CAFE-Brazil 项目的研究飞机起飞后不久。 资料来源：Dirk Dienhart， MPI for Chemistry
谁没有享受过夏日漫步森林时空气中弥漫的芳香气味？ 造成这种典型气味的部分原因是萜烯，这是一类存在于树木树脂和精油中的物质。 其中最主要、最丰富的分子是异戊二烯。 据估计，全世界的植物每年向周围大气释放 5 到 6 亿吨异戊二烯，约占植物气态有机化合物总排放量的一半。来自法兰克福歌德大学的大气研究员约阿希姆-库尔提乌斯教授解释说："仅亚马逊雨林就排放了超过四分之一的异戊二烯。"
迄今为止，人们一直认为亚马逊流域的异戊二烯降解迅速，不会进入大气高层。 这是因为白天太阳照射时，羟基自由基在靠近地面的大气中形成。 它们具有很强的反应性，能在数小时内破坏异戊二烯分子。库尔提乌斯说："然而，我们现在已经证实，这只是部分事实。夜间雨林中仍有相当数量的异戊二烯，这些分子中有很大一部分可以被输送到较高的大气层。"
从研究飞机上看到的亚马逊河流域的内格罗河。 图片来源：Linda Ort，德国 MPI 化学研究所
造成这种情况的原因是夜间在热带雨林上空酝酿的热带雷暴。 它们像吸尘器一样把异戊二烯吸上来，并把它送到 8 到 15 千米的高空。 太阳一升起，羟基自由基就会形成，并与异戊二烯发生反应。 但是，在高海拔地区极低的温度下，雨林分子会转化成与地面不同的化合物。 它们与雷暴中闪电产生的氧化氮结合。 这些分子中的许多会聚集在一起，形成几纳米的气溶胶颗粒。 反过来，这些微粒会随着时间的推移逐渐增大，然后成为水蒸气的凝结核--因此，它们在热带地区云的形成过程中发挥着重要作用。
Jos Lelieveld 教授解释说："我们通过在日出前两小时开始并持续一整天的研究飞行，得以揭示这些过程。我们能够在从高空雷暴中流出的空气中检测到大量异戊二烯，经过几次化学反应后，新的气溶胶粒子迅速形成。" 他是美因茨马克斯-普朗克化学研究所所长，同时也是 CAFE-巴西研究项目（大气化学：巴西现场实验）的负责人，在该项目中，一个国际研究小组正在收集亚马逊雨林上空大气化学过程的数据。"
亚马逊盆地上空的云层，在一次研究飞行中拍摄。 图片来源：Philip Holzbeck，德国 MPI 化学研究所
Curtius和Lelieveld不仅是CAFE-Brazil的合作伙伴，还参与了CLOUD联盟，该联盟有20多个研究小组研究大气中与气候有关的化学过程。 他们在日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的气溶胶和云实验舱中再现了这一高度的条件。 在这个模拟室的帮助下，他们详细分析了哪些反应是由阳光引发的。
负责异戊二烯实验的大气研究员何旭成博士解释说："通过这种方法，我们能够准确地确定异戊二烯产物形成气溶胶粒子的速度。有趣的是，研究发现，即使是大气中常见的极微量硫酸和碘氧化物，也足以将气溶胶粒子的形成速度加快 100 倍。 因此，这些分子可能会共同影响海洋云的形成--这是气候预测中一个极其不确定的过程。"
硫酸是由各种含硫物质在大气中形成的。 它主要是由二氧化硫与羟基自由基反应产生的。 在 CLOUD 实验中，法兰克福研究小组负责测量极低浓度的硫酸，而美因茨小组则测量羟基自由基。
科学家 Gabriela Unfer（左）和 Zaneta Hamryszczak 在研究飞机上检查仪器和测量数据。 图片来源：Philip Holzbeck，德国 MPI 化学研究所
亚马逊热带雨林上空的高空风可以将异戊二烯形成的微粒从源头吹到数千公里之外。 这意味着它们可能会影响远距离云的形成。 由于云的类型和高度不同，它们既能遮挡太阳辐射，又能阻止热量向太空辐射，因此对气候起着至关重要的作用。 因此，研究人员希望他们的发现将有助于改进气候模型。
从 CAFE-巴西项目的结果还可以看出，继续砍伐亚马逊雨林可能会在两个方面影响气候。库尔提乌斯说："一方面，由于森林不再储存二氧化碳，温室气体会被释放出来。另一方面，清除森林会影响水循环和异戊二烯的排放，进一步推动气候变化。"
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41586-024-08192-4