Het Amazonewoud als een wolkenmachine: Hoe onweersbuien en plantentranspiratie condensatiekernen produceren

Zware regenbuien komen keer op keer voor boven het regenwoud. Het regenwoud in het Amazonegebied stoot enorme hoeveelheden gasvormig isopreen uit. Tot nu toe werd aangenomen dat dit molecuul niet ver de atmosfeer in wordt getransporteerd, omdat het snel afneemt wanneer het aan licht wordt blootgesteld. De CAFE-Brazil meetcampagne heeft gegevens geleverd voor twee studies—nu gepubliceerd als het voorpagina-artikel in Nature—die echter aantonen dat nachtelijke onweersbuien het isopreen tot een hoogte van 15 kilometer transporteren.

Op deze hoogte reageert het isopreen en vormt het chemische verbindingen die in staat zijn om enorme aantallen nieuwe aerosoldeeltjes te vormen. Deze groeien verder en dragen bij aan de vorming van wolken als condensatiekernen. Dit mechanisme kan ook invloed hebben op het klimaat.

Wie heeft niet genoten van de aromatische geur in de lucht tijdens een wandeling door het bos op een zomerse dag? De terpenen, een groep stoffen die in boomharsen en etherische oliën voorkomen, zijn voor een deel verantwoordelijk voor deze typische geur. Het primaire en meest voorkomende molecuul is isopreen. Wereldwijd wordt geschat dat planten jaarlijks 500 tot 600 miljoen ton isopreen in de omringende atmosfeer uitstoten, goed voor ongeveer de helft van de totale emissies van gasvormige organische verbindingen van planten.

“Het Amazone regenwoud alleen is verantwoordelijk voor meer dan een kwart van deze emissies,” legt atmosferisch onderzoeker professor Joachim Curtius van de Goethe Universiteit Frankfurt uit. Tot nu toe werd gedacht dat het isopreen in het Amazonegebied snel degradeert en geen hogere atmosferische lagen bereikt. Dit komt doordat hydroxylradicalen zich ’s nachts in de atmosfeer vlak bij de grond vormen wanneer de zon schijnt. Ze zijn zeer reactief en vernietigen de isopreenmoleculen binnen enkele uren.

“Echter, we hebben nu vastgesteld dat dit maar deels waar is,” zegt Curtius. “Er zijn ’s nachts nog aanzienlijke hoeveelheden isopreen in het regenwoud, en een substantieel deel van deze moleculen kan naar hogere atmosferische lagen worden getransporteerd.”

Onweersbuien functioneren als stofzuigers De tropische onweersbuien die ’s nachts boven het regenwoud ontstaan, zijn verantwoordelijk voor dit fenomeen. Ze trekken het isopreen omhoog als een stofzuiger en transporteren het naar een hoogte van tussen de 8 en 15 kilometer. Zodra de zon opkomt, vormen zich hydroxylradicalen die reageren met het isopreen. Maar bij de extreem lage temperaturen die op deze grote hoogte heersen, worden de regenwoudmoleculen omgevormd tot verbindingen die verschillen van die bij de grond. Ze binden zich met stikstofoxiden die door bliksem tijdens de onweersbui worden geproduceerd. Veel van deze moleculen kunnen zich vervolgens clusteren om aerosoldeeltjes van slechts enkele nanometers te vormen. Deze deeltjes groeien in de loop van de tijd en dienen vervolgens als condensatiekernen voor waterdamp—ze spelen dus een belangrijke rol in de wolkenvorming in de tropen.

“We konden deze processen verduidelijken met behulp van onderzoeksvluchten die twee uur voor zonsopgang begonnen en vervolgens de hele dag doorgingen,” legt professor Jos Lelieveld uit. Hij is directeur van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz en hoofd van het CAFE-Brazil onderzoeksproject (Chemistry of the Atmosphere: Field Experiment in Brazil), waarin een internationaal onderzoeksteam gegevens verzamelde over de chemische processen in de atmosfeer boven het Amazone regenwoud.

“We konden aanzienlijke hoeveelheden isopreen detecteren in de lucht die uit de onweersbuien op grote hoogte stroomde, waaruit nieuwe aerosoldeeltjes snel vormden na verschillende chemische reacties.”

Mogelijke invloed op de wolkenvorming boven de oceaan Curtius en Lelieveld zijn niet alleen partners in CAFE-Brazil, maar ook betrokken bij het CLOUD-consortium, waarin meer dan 20 onderzoeksgroepen klimaatrelevante chemische processen in de atmosfeer bestuderen. Ze reproduceren de omstandigheden die op deze hoogte heersen in de aerosol- en wolkenexperimenteerkamer bij CERN in Genève. Met behulp van deze simulatiekamer analyseren ze in detail welke reacties door zonlicht worden opgeroepen.

“Op deze manier konden we precies de snelheid bepalen waarmee de aerosoldeeltjes uit de isopreenproducten worden gevormd,” legt atmosferisch onderzoeker Dr. Xu-Cheng He uit, die verantwoordelijk is voor de isopreenexperimente.

“Interessant is dat zelfs extreem kleine hoeveelheden zwavelzuur en jodiumzuur die doorgaans in de atmosfeer aanwezig zijn, voldoende zijn om de vorming van de aerosoldeeltjes met een factor 100 te versnellen. Deze moleculen kunnen dus gezamenlijk de vorming van mariene wolken beïnvloeden—een kritisch onzeker proces in klimaatprojecties.”

Zwavelzuur vormt zich in de atmosfeer uit verschillende zwavelhoudende stoffen. Het kan vooral ontstaan uit de reactie van zwaveldioxide met hydroxylradicalen. Binnen het CLOUD-experiment was de onderzoeksgroep uit Frankfurt verantwoordelijk voor het meten van de extreem lage concentraties zwavelzuur, terwijl het team uit Mainz de hydroxylradicalen meet.

De winden die op grote hoogte boven het Amazone regenwoud heersen, kunnen de deeltjes die uit isopreen vormen tot duizenden kilometers van de bronnen transporteren. Dit betekent dat ze de wolkenvorming op grote afstand kunnen beïnvloeden. Aangezien wolken, afhankelijk van hun type en hoogte, zowel zonnestraling kunnen afschermen als voorkomen dat warmte de ruimte in wordt uitgestraald, spelen ze een cruciale rol in het klimaat. De onderzoekers verwachten daarom dat hun bevindingen zullen bijdragen aan het verbeteren van klimaatmodellen.

Het volgt ook uit de resultaten van het CAFE-Brazil project dat de voortdurende ontbossing van het Amazone regenwoud het klimaat op twee manieren kan beïnvloeden. “Enerzijds komen er broeikasgassen vrij omdat het bos geen kooldioxide meer opslaat,” zegt Curtius. “Anderzijds heeft het kappen van het bos invloed op zowel de watercyclus als de isopreenemissies, wat de klimaatverandering verder aanjaagt.”