Als onderdeel van het internationale CLOUD-project op CERN hebben onderzoekers van PSI ontdekt dat zogenaamde sesquiterpenen - gasvormige koolwaterstoffen die door planten vrijkomen - een belangrijke factor zijn bij wolkenvorming. De ontdekking zou de onzekerheid in klimaatmodellen kunnen verminderen en kunnen helpen nauwkeurigere voorspellingen te doen. Het onderzoek is nu gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Volgens de laatste projecties van het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) zal het mondiale klimaat tegen 2100 1,5 tot 4,4 graden Celsius warmer zijn dan pre-industriële niveaus. Dit cijfer is gebaseerd op verschillende hypothetische scenario's die beschrijven hoe de antropogene broeikasgasemissies zich in de toekomst zullen ontwikkelen. Dus in het beste geval kunnen we, als we de uitstoot snel en volledig onder controle kunnen houden, nog steeds de doelstelling van 1,5 graden Celsius bereiken die is vastgelegd in het Akkoord van Parijs. In het ergste geval zullen we deze doelstelling ruimschoots overschrijden.

Er zit echter ook een zekere mate van onzekerheid in deze voorspelling. Als de emissies in het ergste geval sterk blijven stijgen, kan de temperatuurstijging bijvoorbeeld zo laag zijn als 3,3 graden Celsius of zo hoog als 5,7 graden Celsius in plaats van 4,4 graden Celsius.

Deze onzekerheden bij het voorspellen hoe specifieke ontwikkelingen in de uitstoot van broeikasgassen de temperatuur zullen doen veranderen, zijn grotendeels te wijten aan het feit dat wetenschappers nog niet alle processen die in de atmosfeer plaatsvinden volledig begrijpen: de interacties tussen verschillende gassen en aërosolen in de atmosfeer. Atmosferische onderzoekers van het nucleaire onderzoekscentrum CERN in Genève hebben een internationaal samenwerkingsproject gelanceerd, het CLOUD-project (Cosmic Droplets Leaving Outdoors), dat tot doel heeft deze processen vast te stellen. PSI hielp bij de bouw van de CLOUD-testkamer en is lid van de stuurgroep van het project.

Lubna Dada onderzoekt de vorming en chemische samenstelling van aërosolen in het Atmosferisch Chemisch Laboratorium. Bron afbeelding: Paul Scheele Institute/Markus Fischer

Het mysterie van wolkenvorming

Hoe vooral wolken zich in de toekomst zullen vormen, blijft grotendeels een mysterie. Dit is echter een sleutelfactor bij het voorspellen van het klimaat, omdat meer wolken meer zonnestraling reflecteren, waardoor het aardoppervlak afkoelt.

Om de waterdruppeltjes te vormen waaruit wolken bestaan, heeft waterdamp condensatiekernen nodig, dit zijn vaste of vloeibare deeltjes waarop het kan condenseren. Deze deeltjes worden geleverd door een verscheidenheid aan aërosolen, dit zijn kleine vaste of vloeibare deeltjes met een diameter tussen 0,1 en 10 micron die door de natuur en menselijke activiteiten worden geproduceerd en in de lucht worden vrijgegeven. Deze deeltjes omvatten zout uit de oceaan, zand uit woestijnen, verontreinigende stoffen uit de industrie en het verkeer, of rookdeeltjes uit branden.

Ongeveer de helft van alle condensatiekernen wordt echter feitelijk gevormd wanneer verschillende gasvormige moleculen in de lucht samenkomen om een ​​vaste stof te vormen, een fenomeen dat deskundigen 'nucleatie' of 'nieuwe deeltjesvorming' (NPF) noemen. In eerste instantie zijn deze deeltjes heel klein, slechts enkele nanometers groot, maar na verloop van tijd groeien ze door de condensatie van gasvormige moleculen en worden ze vervolgens condensatiekernen.

Broeikasgassen die u kunt ruiken

Het belangrijkste antropogene gas dat deeltjesvorming veroorzaakt, is zwaveldioxide in de vorm van zwavelzuur, voornamelijk afkomstig van de verbranding van steenkool en olie. De belangrijkste van deze natuurlijke gassen zijn de zogenaamde isoolefinen, monoterpenen en sesquiterpenen. Dit zijn koolwaterstoffen die voornamelijk vrijkomen door vegetatie. Het zijn de hoofdbestanddelen van etherische oliën, die we ruiken als we bijvoorbeeld het gras maaien of een boswandeling maken. Wanneer deze stoffen oxideren, dat wil zeggen reageren met ozon, vormen ze aërosolen in de lucht.

Lubna Dada, atmosferische wetenschapper bij PSI, zei: "Opgemerkt moet worden dat de concentratie van zwaveldioxide in de lucht de afgelopen jaren aanzienlijk is gedaald en zal blijven dalen als gevolg van strengere milieuwetgeving. Aan de andere kant neemt de concentratie van terpenen toe als gevolg van plantengroei."

Een grote vraag voor het verbeteren van klimaatvoorspellingen is dus welke factoren zullen domineren, waardoor er meer of minder wolkenvorming ontstaat. Om deze vraag te beantwoorden moeten we weten hoe elk van deze stoffen bijdraagt ​​aan de vorming van nieuwe deeltjes. Er is al veel bekend over zwavelzuur, en de rol van monoterpenen en isopreen wordt nu beter begrepen, dankzij veldmetingen en laboratoriumexperimenten zoals CLOUD waaraan PSI deelneemt.

Sesquiterpenen zijn zeldzaam maar krachtig

"Tot nu toe is het onderzoek niet gericht geweest op sesquiterpenen." Dada legt uit: ‘Dit komt omdat ze moeilijk te meten zijn. Ten eerste omdat ze heel snel reageren met ozon, en ten tweede omdat ze veel minder vaak voorkomen dan andere stoffen.’

Jaarlijks komt er ongeveer 465 miljoen ton isopreen en 91 miljoen ton monoterpenen op de aarde vrij, terwijl sesquiterpenen slechts 24 miljoen ton voor hun rekening nemen. Niettemin spelen deze verbindingen een belangrijke rol bij wolkenvorming. Volgens metingen vormen ze bij dezelfde concentratie tien keer meer deeltjes dan de andere twee organische stoffen.

Om dit vast te stellen, gebruikten Dada en haar medewerkers het unieke CLOUD-laboratorium van het European Centre for Nuclear Research (CERN). De testkamer is een afgesloten ruimte die verschillende atmosferische omstandigheden simuleert. Deze klimaatkamer heeft een oppervlakte van bijna 30 kuub en is de zuiverste in zijn soort ter wereld. De zuiverheid is zo hoog dat sesquiterpenen zelfs bij de zeer lage concentraties in de atmosfeer kunnen worden bestudeerd.

Dat is precies waar dit onderzoek over ging. Deze studie had tot doel de vorming van biologische deeltjes in de atmosfeer te simuleren. Meer specifiek waren de onderzoekers geïnteresseerd in het bestuderen van het pre-industriële tijdperk, toen er geen antropogene uitstoot van zwaveldioxide was. Hierdoor kunnen de gevolgen van menselijke activiteiten duidelijker worden bepaald en voorspeld voor de toekomst. Door de mens veroorzaakte uitstoot van zwaveldioxide is echter al lange tijd alomtegenwoordig in de natuur. Dit is nog een reden waarom alleen wolkenkamers haalbaar zijn. Het kan ook pre-industriële mengsels produceren onder gecontroleerde omstandigheden.

Persistente deeltjes zorgen voor meer wolken

Uit de experimenten is gebleken dat de oxidatie van natuurlijke mengsels van isopreen, monoterpenen en sesquiterpenen in zuivere lucht een groot aantal organische verbindingen produceert, de zogenaamde ULVOC's (ultra-laag vluchtige organische stoffen). Zoals de naam doet vermoeden, zijn deze organische verbindingen niet erg vluchtig en daarom zeer efficiënt in het vormen van deeltjes die in de loop van de tijd groter worden en condensatiekernen worden. Het dramatische effect van sesquiterpenen werd duidelijk toen de onderzoekers ze toevoegden aan een suspensie die alleen isopentenen en monoterpenen bevatte. Zelfs het toevoegen van slechts 2% verdubbelde de snelheid van de vorming van nieuwe deeltjes. Dit kan worden verklaard door het feit dat sesquiterpeenmoleculen uit 15 koolstofatomen bestaan, terwijl monoterpenen slechts 10 koolstofatomen hebben en isopentenen slechts 5 koolstofatomen.

Aan de ene kant onthult dit onderzoek een andere manier waarop vegetatie het weer en klimaat beïnvloedt. Maar het allerbelangrijkste is dat de bevindingen suggereren dat sesquiterpenen als een aparte factor in toekomstige klimaatmodellen moeten worden opgenomen, naast isopentenen en monoterpenen, om hun voorspellingen nauwkeuriger te maken. Vooral gezien de vermindering van de zwaveldioxideconcentraties in de atmosfeer en de gelijktijdige toename van biologische emissies als gevolg van klimaatstress, betekent dit dat laatstgenoemde waarschijnlijk een steeds grotere impact zal hebben op het toekomstige klimaat. Er is echter aanvullend onderzoek nodig om de voorspellingen van wolkenvorming verder te verbeteren. Het Atmosferisch Chemisch Laboratorium plant deze onderzoeken al.

Imad El-Haddad, hoofd van de onderzoeksgroep Atmospheric Molecular Processes, zei: "Vervolgens willen wij en onze CLOUD-partners onderzoeken wat er precies gebeurde tijdens de industrialisatie, toen de natuurlijke atmosfeer steeds meer werd gemengd met antropogene gassen zoals zwaveldioxide, ammoniak en andere antropogene organische verbindingen."