PNNL地球科学家和该研究的主要调查者Manish Shrivastava说道：“热带亚马逊雨林构成了地球之肺，这项研究将森林中的自然过程跟气溶胶、云层和地球的辐射平衡联系在一起，而这是以前没有认识到的。”
这项研究最近发表在《ACS Earth and Space Chemistry》A上。
填补缺失的数据差距
Shrivastava和他的同事在研究高层大气中的细小颗粒时观察到他们的结果跟根据现有大气模型的估计而预期的结果之间存在着巨大差异。进一步的调查显示，目前的大气模型中缺少关键的森林跟大气的相互作用，而这种作用制约着高层大气中细小颗粒的数量。
研究人员发现了一个以前未被认识到的过程，这涉及到亚马逊雨林中植物产生的半挥发性气体并由云层带入高层大气。这些气体是天然的碳基化合物并在高空大气中很容易凝结成细小的颗粒。Shrivastava指出，这种方法在高海拔和低温条件下产生细颗粒的效率特别高。这些细颗粒通过降低到达地球的阳光量而使地球变冷。它们还会产生云，进而影响降水和水循环。
Shrivastava说道：“如果没有对有机气体的半挥发性来源的充分了解，我们根本无法解释高海拔地区关键颗粒成分的存在和作用。”
大气过程中的关键性发现
Shrivastava的研究项目由美国能源部(DOE)早期职业研究奖资助，涉及调查被称为异戊二烯-环氧二醇二次有机气溶胶(EPOX-SOAs)的气溶胶颗粒的形成，这些颗粒由在不同高度飞行的飞机测量。
IEPOX-SOAs是在对流层所有高度发现的细小颗粒的基本组成部分，对流层是指从地球表面延伸到热带地区上方约20公里高度的大气区域。然而大气模型并没有充分考虑到这些颗粒及其对地球上空的云的影响。
Shrivastava指出：“由于模型不会预测亚马逊地区10到14公里高度的观察到的IEPOX-SOA负荷，我们得到了我认为是模型失败或对测量结果缺乏理解的结果。我可以解释地表的情况，但无法解释高海拔地区的情况。”
Shrivastava和他的团队搜索了由Grumman Gulfstream-159（G-1）飞机收集的数据，这是一个由大气辐射测量(ARM)航空设施运营的能源部飞行实验室，它被飞到了5公里的高度。该小组还比较了一架被称为高海拔和长距离研究飞机(HALO)的德国飞机所收集的数据，该飞机的飞行高度达到14公里。Shrivastava表示，根据模型的预测，他们的IEPOX-SOAs的负荷应该比测量的结果至少低一个数量级。他和他在PNNL以外的同事则都无法解释测量结果跟模型预测结果之间的差异。
而在该团队的研究之前，科学家们认为IEPOX-SOAs主要是由多相大气化学途径形成的。然而产生IEPOX-SOAs所需的大气化学途径并不发生在对流层上部，因为其温度极低，条件干燥。在那个高度，颗粒和云层被冻结并缺乏液态水。因此，研究人员无法用现有的模型解释在10至14公里的高度观察到的它们的形成。
为了揭开这个谜团，研究人员将专门的高空飞机测量和详细的区域模型模拟结合起来，然后利用PNNL的环境分子科学实验室的超级计算资源进行模拟。他们的研究揭示了大气过程中未被发现的部分。一种被称为2-甲基四醇的半挥发性气体被云层上升气流输送到寒冷的对流层上部。然后该气体凝结成颗粒进而被飞机检测为IEPOX-SOAs。
Shrivastava指出：“这当然是一个重要的发现，因为它有助于我们了解这些细小的颗粒是如何形成的，因此对森林中的自然过程如何冷却地球并促成云和降水有了新的认识。伴随着全球气候的变化和亚马逊许多地方的快速砍伐，人类正在扰乱制造大气中细小颗粒和调节全球变暖的关键自然过程。”
为进一步的大气研究打开大门
Shrivastava表示，在了解这个新发现的大气过程及它如何影响大气中细小颗粒的形成方面，该团队的发现只是触及表面。他说，从植物中新发现的过程可以解释世界上其他森林地区上空的一系列广泛的大气颗粒现象。
“在宏伟的计划中，这只是我们所知道的开始并将为土地-大气-气溶胶-云的相互作用开辟新的研究领域。了解森林如何产生这些颗粒可以帮助我们了解砍伐森林和不断变化的气候将如何影响全球变暖和水循环，”Shrivastava说道。
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