Zelfreinigend Vermogen van de Atmosfeer Onderzocht in Langdurige Studie

De Aarde’s atmosfeer heeft zijn vermogen versterkt om luchtvervuilers te verwijderen, waaronder het krachtige broeikasgas methaan, volgens onderzoek gepubliceerd in Nature Communications.

Dit wordt beschouwd als een doorbraak voor de klimaatwetenschap en het begrip van de atmosferische chemie. De studie richtte zich op het bepalen van de hoeveelheid van de moeilijk te meten aanjager, het hydroxylradicaal (OH), dat door Nobelprijswinnaar Paul Crutzen de “detergent van de atmosfeer” wordt genoemd.

Door een geavanceerde methode toe te passen om twee langlopende metingen van luchtmonsters uit Nieuw-Zeeland en Antarctica, die teruggaan tot de late jaren 80, te analyseren, onthulde het onderzoek van het National Institute of Water and Atmospheric Research (NIWA) in Nieuw-Zeeland een significante trend in het zelfreinigend vermogen van de atmosfeer.

Het onderzoek benadrukt dat zonder de verhoogde reinigingscapaciteit van hydroxyl, methaan nog meer zou hebben bijgedragen aan de opwarming van de aarde. De langlopende studie door NIWA-wetenschappers, samen met onderzoekers van de Victoria University of Wellington, GNS Science en een samenwerkingspartner uit Finland, toont aan dat het zelfreinigend vermogen van de atmosfeer sinds ongeveer 1997 versterkt is in het zuidelijk halfrond.

De 33-jarige wetenschappelijke enquête concentreerde zich op de sterkste oxidant in de atmosfeer, OH, en identificeerde radiokoolmonoxide (14CO) als een betrouwbare tracer. Deze ultra-zeldzame vorm van koolmonoxide wordt geproduceerd wanneer kosmische straling de atmosfeer van de aarde raakt, waarbij de productiesnelheid goed begrepen is, evenals de verwijdering door OH.

“OH is zeer reactief en heeft een zeer korte levensduur,” zegt NIWA-atmosfeerwetenschapper Sylvia Nichol. “OH is een kleine chemische verzamelaar. Het bestaat uit één waterstof- en één zuurstofatoom, met een vrij ongepaard elektron, en wordt in de atmosfeer gevormd wanneer ultraviolette straling van de zon ozon raakt in aanwezigheid van waterdamp.”

“Het reageert met schadelijke sporen gassen, waaronder koolmonoxide en methaan in de onderste laag van de atmosfeer, de troposfeer, die zich tot een gemiddelde hoogte van 11 km (36.000 voet) boven het aardoppervlak uitstrekt.”

“Het was een belangrijke ontdekking in de jaren 70 dat OH in de troposfeer wordt geproduceerd door reacties die de oxidatie van gassen zoals koolmonoxide, methaan en ethaan mogelijk maken. Ook al is de levensduur van OH misschien minder dan een seconde, het speelt een cruciale rol in het reinigen van de atmosfeer.”

Met de zeer reactieve hydroxyl die de atmosferische levensduur van de meeste gassen controleert, is de aanwezigheid van OH van cruciaal belang voor het reguleren van de concentraties van sommige broeikasgassen, vooral methaan, zegt Nichol. “Hoewel de hydroxylradicalen in kleine hoeveelheden voor een korte tijd verschijnen, verwijderen ze koolmonoxide en bijna 90% van het methaan in de lucht, dus het is van vitaal belang voor het behoud van de luchtkwaliteit.”

De dynamische aard van OH, samen met de zeer lage concentraties, maakt het berucht moeilijk om direct waar te nemen en nauwkeurig te kwantificeren, zegt NIWA-hoofdtechnicus Gordon Brailsford, die tientallen jaren luchtmonsters heeft verzameld.

“Ultraviolette straling beïnvloedt de productie van hydroxyl, dus de niveaus van deze atmosferische reiniger vertonen grote schommelingen op dagelijkse en jaarlijkse basis. OH wordt alleen tijdens de daguren gevormd, wat betekent dat het ’s nachts bijna tot nul daalt en meer voorkomt in de zomer.”

Eerdere pogingen om trends in OH te monitoren, hebben gebruik gemaakt van methylchloroform, maar dat is geleidelijk uitgefaseerd onder het Montreal Protocol van 1987 ter bescherming van de ozonlaag, waardoor het onpraktisch is geworden, zegt Brailsford.

“Traditionele methoden en modellen die de overvloed van hydroxyl voorspellen op basis van methylchloroform en andere vergelijkbare industriële gassen, produceerden ook tegenstrijdige afgeleide schattingen van veranderingen in hydroxylniveaus en de capaciteit om de atmosfeer te reinigen. In plaats daarvan hebben we natuurlijk geproduceerd radiokoolmonoxide (14CO) gebruikt, een tracer waarvan we de productie door kosmische straling veel beter begrijpen, waardoor we een trend in de verwijderingssnelheid door OH over een lange periode konden vaststellen.”

Records van twee afgelegen monitoringstations op het zuidelijk halfrond, daterend uit de late jaren 80, hebben kwalitatieve gegevens opgeleverd voor analyse, zegt Brailsford. “Regelmatige en consistente metingen, verspreid over 33 jaar, op twee locaties bieden het eerste bewijs voor een langdurige stijging van OH.”

“Het Baring Head Atmospheric Research Station buiten de winderige hoofdstad van Nieuw-Zeeland, Wellington, is internationaal erkend voor zijn langdurige monitoring van schone lucht.”

“Zowat 4.000 km verder naar het zuiden bevindt het gezamenlijke Nieuw-Zeelandse en Amerikaanse Arrival Heights-laboratorium op Ross Island in Antarctica zich ver weg van menselijke vervuiling, waarbij luchtmonsters zelfs tijdens de vijf maanden van duisternis elk jaar worden verzameld. Beide meetreeksen zijn veruit de langste en meest consistente records ter wereld voor 14CO als tracer voor veranderingen in de atmosferische chemie.”

Het verwerken van de monsters vereist veel stappen, zegt hoofdtechnicus Rowena Moss, die meer dan 10.000 uur aan het project heeft gewijd. “Grote luchtmonsters van tot 1.000 liter werden verzameld in gasflessen, vervolgens gedroogd, gecomprimeerd, gekoeld om de aanwezige CO2 te verwijderen, en geconcentreerd tot een microscopische hoeveelheid koolmonoxide en zijn isotopen.”

“Deze procedures worden uitgevoerd zodat monsters kunnen worden verzonden voor 14CO-meting met behulp van versnelde massaspectrometrie in het radiokoolstofdateringslaboratorium van GNS Science. Kwaliteitscontrole is essentieel gedurende deze verschillende stappen om de oorspronkelijke 14CO-concentratie van het luchtmonster te bepalen.”

De monsters van de twee verschillende observatiestations hebben waardevolle inzichten verschaft in de rol van OH, zegt hoofdauteur van het tijdschriftartikel, atmosfeer- en klimaatwetenschapper Dr. Olaf Morgenstern, wiens werk een eerder ontwikkeld “chemie-klimaat” model heeft uitgebreid.

“Gegevens uit Nieuw-Zeeland sinds 1997 tonen een jaarlijkse afname van 12% (± 2%) in 14CO. Metingen uit Antarctica tonen een nog grotere daling van 43% (± 24%), maar alleen tijdens de periode van december tot januari, de hoogtijdagen van de zomer op het zuidelijk halfrond.”

“Deze onderzoeksresultaten suggereren dat de oxiderende capaciteit van de atmosfeer, aangedreven door hydroxyl, de afgelopen decennia is versterkt. De bevindingen bevestigen en ondersteunen onze modellen en komen overeen met die van over de hele wereld die suggereren dat OH wereldwijd is toegenomen.”

De onderzoekers onderzochten welke processen en atmosferische verbindingen veranderingen in OH-niveaus teweegbrengen, waarbij drie hoofdoorzaken van de toename van hydroxyl werden geïdentificeerd en één oorzaak die de toename van OH tegenwerkt. “De toenemende hydroxyltrends worden voornamelijk aangedreven door stikstofoxiden die worden geproduceerd door motorvoertuigen, industriële verbranding, bliksem en bosbranden.”

“Hydroxyl wordt ook beïnvloed door de afbraak van stratosferische ozon en waterdamp, die toeneemt onder de opwarming van de aarde, terwijl OH een significante compensatie ondervindt door methaan, dat ook snel toeneemt, wat de hydroxyl vermindert. Weten wat deze vier factoren zijn, vertelt ons wat er voor OH in het verschiet ligt, vooral dat de toename goed kan omslaan in een afname door veranderingen in onze activiteiten.”

De toenemende trend van OH die in deze studie is gevonden, impliceert dat er grotere stijgingen zijn geweest in de emissiesnelheden van methaan dan eerder werd geschat, uitgaande van constante OH, zegt hij. “Of om het anders te zeggen, methaan zou nog meer hebben bijgedragen aan de opwarming van de aarde als het niet voor deze versterking van de atmosferische reinigingscapaciteit was geweest.”

“Alle vier de factoren – stikstofoxiden, ozon, wereldwijde opwarming en methaan – vertonen menselijk veroorzaakte trends. Menselijke activiteit beïnvloedt het vermogen van het klimaatsysteem om zijn oxiderende kracht te versterken. Deze bevindingen benadrukken de aanzienlijke rol die menselijke activiteiten spelen in het vormgeven van het klimaatsysteem, wat invloed heeft op de capaciteit van hydroxyl om de atmosfeer te reinigen en de luchtkwaliteit te handhaven.”