Gases da floresta amazônica afetam a atmosfera da Terra

As descobertas podem preencher a lacuna para as mudanças climáticas, pesquisas atmosféricas além das regiões tropicais.

De acordo com um novo estudo realizado por cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), os gases derivados da folhagem das plantas geram um fenômeno atmosférico anteriormente desconhecido sobre a floresta amazônica. A descoberta tem implicações significativas para a ciência atmosférica e modelagem de mudanças climáticas.

“A floresta tropical amazônica constitui os pulmões da Terra, e este estudo conecta os processos naturais na floresta a aerossóis, nuvens e o equilíbrio radiativo da Terra de maneiras que não foram reconhecidas anteriormente”, disse Manish Shrivastava, cientista da Terra do PNNL e principal investigador do estudo.

A pesquisa foi recentemente publicada na revista ACS Terra e Química Espacial.

O cientista da Terra do PNNL Manish Shrivastava e sua equipe identificaram um processo atmosférico que cria um tipo de partícula fina sobre a floresta amazônica. Através do processo, gases semivoláteis, que são compostos químicos naturais à base de carbono que podem se condensar facilmente para formar partículas finas na alta atmosfera, são emitidos em toda a floresta amazônica por processos químicos na planta e na superfície anteriormente não reconhecidos. Crédito: Ilustração de Nathan Johnson | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

Preenchendo a lacuna de dados ausentes

Shrivastava e seus colegas estavam pesquisando partículas finas na atmosfera superior quando observaram uma diferença significativa entre seus resultados e o que seria esperado com base em estimativas de modelos atmosféricos existentes. Investigações posteriores revelaram que as principais interações floresta-atmosfera estavam faltando nos modelos atmosféricos atuais que governam o número de partículas finas na atmosfera superior.

Os pesquisadores descobriram um processo não reconhecido anteriormente envolvendo gases semivoláteis produzidos por plantas na floresta amazônica e levados para a atmosfera superior por nuvens. Esses gases são compostos químicos naturais à base de carbono que se condensam prontamente na alta atmosfera para criar partículas finas. Shrivastava afirma que este método é particularmente eficiente na produção de partículas finas em altas altitudes e baixas temperaturas. Essas partículas finas esfriam a terra, diminuindo a quantidade de luz solar que a atinge. Eles também produzem nuvens, que influenciam a precipitação e o ciclo da água.

“Sem uma compreensão completa da fonte semivolátil de gases orgânicos, simplesmente não podemos explicar a presença e o papel dos principais componentes das partículas em altas altitudes”, disse Shrivastava.

Descoberta crucial em processos atmosféricos

O projeto de pesquisa de Shrivastava, financiado por um Prêmio de Pesquisa de Início de Carreira do Departamento de Energia (DOE), envolveu a investigação da formação de partículas de aerossol conhecidas como aerossóis orgânicos secundários de isopreno epoxidiol (IEPOX-SOAs), que são medidos por aeronaves voando em diferentes altitudes.

IEPOX-SOAs são blocos de construção essenciais para partículas finas encontradas em todas as altitudes da troposfera – a região da atmosfera que se estende desde a superfície da Terra até aproximadamente 20 quilômetros de altitude acima das regiões tropicais. No entanto, os modelos atmosféricos não levaram em conta suficientemente essas partículas e sua influência nas nuvens acima da Terra.

“Como os modelos não previam os carregamentos IEPOX-SOA observados em altitudes de 10 a 14 quilômetros na Amazônia, estávamos recebendo o que eu acreditava ser falhas de modelo ou falta de compreensão das medições”, disse Shrivastava. “Eu poderia explicá-lo na superfície, mas não poderia explicá-lo em altitudes mais altas.”

Cientistas da Terra usaram dados coletados por aeronaves de laboratório em sua descoberta de um processo atmosférico que cria um tipo de partícula fina sobre a floresta amazônica. Crédito: Foto de Jason Tomlinson | Departamento de Medição de Radiação Atmosférica de Energia dos EUA [ARM] facilidade do usuário

Shrivastava e sua equipe vasculharam os dados coletados pela aeronave Grumman Gulfstream-159 (G-1), um laboratório de vôo do DOE operado pela Instalação Aérea de Medição de Radiação Atmosférica (ARM), que voou até 5 quilômetros de altitude. A equipe também comparou dados coletados por uma aeronave alemã conhecida como High Altitude and Long Range Research Aircraft, ou HALO, que voa em altitudes que chegam a 14 quilômetros. Com base nas projeções modeladas, suas cargas de IEPOX-SOAs deveriam ter sido pelo menos uma ordem de magnitude menor do que o que foi medido, disse Shrivastava. Nem ele, nem seus colegas fora do PNNL, conseguiram explicar a disparidade nas medições e o que os modelos projetavam.

Antes da pesquisa da equipe, acreditava-se que os IEPOX-SOAs eram formados principalmente por vias químicas atmosféricas multifásicas envolvendo reações de isopreno na fase gasosa e partículas contendo água líquida. No entanto, os caminhos da química atmosférica necessários para criar IEPOX-SOAs não ocorrem na troposfera superior por causa de suas temperaturas extremamente frias e condições secas. Nessa altitude, as partículas e as nuvens estão congeladas e carecem de água líquida. Os pesquisadores, portanto, não conseguiram explicar sua formação observada a 10 a 14 quilômetros de altitude usando os modelos disponíveis.

Para desvendar o mistério, os pesquisadores combinaram medições especializadas de aeronaves de alta altitude e simulações detalhadas de modelos regionais realizadas usando recursos de supercomputação no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do PNNL. Seu estudo revelou o componente não descoberto dos processos atmosféricos. Um gás semivolátil conhecido como 2-metiltetrol é transportado por correntes ascendentes de nuvens para a troposfera superior fria. O gás então se condensa para formar partículas que são detectadas como IEPOX-SOAs pela aeronave.

“Esta é certamente uma descoberta importante porque ajuda na nossa compreensão de como essas partículas finas são formadas e, portanto, lança uma nova luz sobre como os processos naturais na floresta resfriam o planeta e contribuem para nuvens e precipitação”, disse Shrivastava. “Junto com a mudança climática global e o rápido desmatamento em muitas partes da Amazônia, os humanos estão perturbando os principais processos naturais que produzem partículas finas na atmosfera e modulam o aquecimento global.”

Abrindo portas para mais pesquisas atmosféricas

A descoberta da equipe apenas arranha a superfície, disse Shrivastava, ao aprender sobre esse processo atmosférico recém-descoberto e como isso afeta a formação de partículas finas na atmosfera. Ele disse que o processo recém-identificado de plantas poderia explicar uma ampla gama de fenômenos de partículas atmosféricas em outros locais florestais em todo o mundo.

“No grande esquema, este é apenas o começo do que sabemos e abrirá novas fronteiras de pesquisa em interações terra-atmosfera-aerossol-nuvem”, disse ele. “Entender como a floresta produz essas partículas pode nos ajudar a entender como o desmatamento e as mudanças climáticas afetarão o aquecimento global e o ciclo da água.”

Referência: “Tight Coupling of Surface and In-Plant Biochemistry and Convection Governs Key Fine Particulate Components over the Amazon Rainforest” por Manish Shrivastava, Quazi Z. Rasool, Bin Zhao, Mega Octaviani, Rahul A. Zaveri, Alla Zelenyuk, Brian Gaudet, Ying Liu, John E. Shilling, Johannes Schneider, Christiane Schulz, Martin Zöger, Scot T. Martin, Jianhuai Ye, Alex Guenther, Rodrigo F. Souza, Manfred Wendisch e Ulrich Pöschl, 12 de janeiro de 2022, ACS Terra e Química Espacial.
DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00356

A pesquisa foi apoiada pelo prêmio DOE Early Career de Shrivastava e pela Atmospheric System Research do DOE, ambos do programa Office of Science Biological and Environmental Research. O suporte para coleta de dados a bordo da aeronave G-1 foi fornecido pela ARM, uma instalação de usuários do DOE Office of Science. Os recursos computacionais para as simulações foram fornecidos pela EMSL, também uma facilidade do usuário do DOE Office of Science.