Enquanto ele olhava para a Amazônia de cima, as folhas brilhantes formavam ondas de folhagem. O vento ondulou por eles, criando redemoinhos e poças de verde. A partir deste ponto de vista, algumas pessoas podem ter acabado de ver árvores. Mas de sua posição elevada, Kolby Jardine, um pesquisador do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (DOE), viu mais - o complexo ciclo ecológico da floresta. Partindo das emissões emitidas pelas folhas para as nuvens bem acima, cada componente influencia todos os outros.

Jardine fazia parte do projeto "Green Ocean Amazon" do DOE Office of Science ou GoAmazon, que teve como foco o melhor entendimento do ciclo hídrico da Bacia Amazônica. Ao obter dados em um balanço, plataforma estreita mais alta do que um prédio de 10 andares, Jardine esperava examinar uma parte desse sistema - como as folhas tropicais produzem emissões.

"Você realmente sente o que é ser uma folha no dossel superior, " ele disse.

A Amazônia é a maior e mais diversa floresta tropical do mundo, estendendo-se por nove países. Enquanto as emissões antrópicas poluem o ar na estação seca, o ar acima da Amazônia na estação chuvosa é um dos lugares mais limpos do planeta.

Esse contraste torna o lugar perfeito para Jardine e outros pesquisadores estudarem como as árvores liberam as emissões e que efeitos essas emissões têm no clima.

Árvores e outras plantas produzem centenas a milhares de compostos orgânicos voláteis (VOCs). Esses produtos químicos à base de carbono evaporam facilmente de um líquido ou sólido para o ar a temperaturas muito mais baixas do que a maioria dos produtos químicos. Por exemplo, seu nariz está detectando VOCs quando você cheira pinheiros. Outros VOCs são feitos pelo homem, como os que produzem o "cheiro de carro novo". Enquanto VOCs de origem humana dominam nas áreas urbanas, COVs produzidos por árvores desempenham um papel importante na Amazônia.

Dentro de minutos a horas depois que as árvores os liberam, Os VOCs reagem com o ozônio e outros produtos químicos na atmosfera. Eles se agrupam para se tornarem compostos maiores ou reagir com emissões humanas de veículos a diesel ou usinas de energia que queimam combustíveis fósseis. Em ambos os casos, eles formam aerossóis orgânicos secundários (SOAs), partículas sólidas ou líquidas suspensas em gás.

Desde a formação de poluição até a influência na formação de nuvens, SOAs conduzem vários processos atmosféricos e climáticos. As interações entre aerossóis, VOCs, e outras emissões biológicas criam uma das maiores incertezas nos modelos climáticos. O Escritório de Ciência do Departamento de Energia está apoiando pesquisas sobre VOCs de árvores e os SOAs que elas formam.

O grande impacto das partículas minúsculas

Para compostos que costumam durar menos de duas horas antes de reagir com outra coisa, VOCs têm um grande impacto. Isso é especialmente verdadeiro nos trópicos, onde 30 a 50 por cento das árvores emitem VOCs. Por meio dos SOAs em que eles se transformam, Os VOCs afetam o tempo e o clima de duas maneiras principais.

Primeiro, SOAs constituem uma grande proporção das minúsculas partículas na atmosfera. Eles influenciam a quantidade de luz solar que a atmosfera absorve ou dispersa, e, portanto, a quantidade de luz e calor que atinge a superfície da Terra.

Segundo, o vapor de água se condensa em SOAs. As vezes, a partícula coleta água suficiente para se tornar uma gota de nuvem. Se continuar a crescer, pode se tornar uma gota de chuva que cai na terra. O projeto GoAmazon enfrentou o desafio de coletar dados sobre VOCs, Assim como, e seus efeitos no clima. A equipe da GoAmazon coletou dados de janeiro de 2014 a dezembro de 2015 usando o Centro de Pesquisa Climática de Medição de Radiação Atmosférica (ARM), um recurso de usuário do Office of Science.

O que acontece quando uma árvore respira?

Para mapear o papel dos VOCs biológicos na floresta tropical, os cientistas precisam entender como e por que as árvores os produzem. É mais fácil falar do que fazer.

O número de fatores que determinam a produção de VOC é impressionante. A Estação, espécie de árvore, idade da folha, concentração de dióxido de carbono no ar ao redor da árvore, luz, e a temperatura são apenas alguns exemplos. Além disso, as plantas não apenas liberam VOCs; alguns até absorvem certos compostos orgânicos voláteis.

Outro desafio é simplesmente coletar dados dentro e acima do dossel da floresta. Uma das principais maneiras dos pesquisadores de coletar amostras de ar é pilotar aviões personalizados cheios de instrumentos complexos bem acima do dossel.

Em contraste com os modelos, "as medições baseadas em aeronaves fornecem [dados sobre] a atmosfera real, "disse Jian Wang, um cientista do Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.

Para entender os níveis de isopreno (um importante VOC) logo acima do dossel, a equipe da GoAmazon realizou oito voos de pesquisa diferentes nas estações chuvosa e seca. Seus dados mostraram que as taxas de emissão de isopreno eram três vezes maiores do que os dados de satélite revelaram e 35 por cento maiores do que os modelos previstos. Em particular, eles descobriram que nem os modelos nem os satélites levaram em consideração as diferentes elevações ou a variedade de espécies de plantas na Amazônia.

"Temos que saber quem são os jogadores e quais são as suas fontes, "disse Jardine.

Jardine e sua equipe tiveram uma abordagem complementar - eles permaneceram empoleirados por dias a fio no topo de uma torre estreita que se erguia na selva. Depois de caminhar pela floresta antes do nascer do sol, eles coletaram amostras de gases de diferentes níveis da torre a cada 10 minutos. Eles então analisaram o conteúdo usando um instrumento especializado que usa massas de produtos químicos para identificá-los.

Rastreando as diferenças, eles descobriram que as árvores produziam muito mais isopreno durante o dia do que à noite e durante a estação seca do que na estação chuvosa. Quanto mais luz do sol e mais altas as temperaturas, quanto mais plantas de isopreno são emitidas. A equipe também descobriu que quanto maior o estresse sob as folhas, mais isopreno eles produziram.

Ambos os estudos ilustraram como são complexas as influências na produção de VOC nas árvores. Levar essas influências em consideração é essencial para melhorar os dados que entram nos modelos climáticos.

O estudo da torre também descobriu que em circunstâncias particularmente estressantes, Os VOCs podem reagir com o oxigênio dentro das próprias plantas. Estudos anteriores de que Jardine participou com agulhas de pinheiro-bravo e folhas de manga mostram que esse fenômeno se estende além da Amazônia. O fato de que as próprias plantas podem produzir produtos secundários é outro fator que os modelos precisam incluir. Além disso, ele aponta para a importância potencial dos VOCs dentro das próprias plantas. Eles podem realmente ajudar as plantas a lidar com os estressores ambientais.

O que é preciso para se tornar um aerossol orgânico secundário

Uma vez que as árvores liberam emissões para o ar, ainda mais interações surgem. Quais VOCs formam quais SOAs dependem do nível dos VOCs, os gases com os quais os VOCs reagem, e o quanto eles se misturam. Muitas vezes, os VOCs podem reagir com o oxigênio e outros produtos químicos várias vezes enquanto se movem pela atmosfera, cada vez produzindo produtos diferentes. "É importante saber o que acontecerá com os VOCs e SOAs quando eles forem transportados [para longe] das fontes, "disse Alla Zelenyuk-Imre, um pesquisador do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE. Essas transformações afetam as características dos SOAs e como eles influenciam a formação de nuvens.

Para investigar essas reações, os cientistas usam estudos de campo e de laboratório. Campo de estudos, como GoAmazon, oferecem dados do mundo real. Mas os cientistas muitas vezes não conseguem analisar totalmente essas reações químicas no campo.

"Os estudos de laboratório fundamentais podem ajudar a compreender e interpretar os dados de observação mais complexos, "disse Nga Lee" Sally "Ng, pesquisador da Georgia Tech. "Os estudos de laboratório e de campo realmente se complementam."

Um estudo de 2015 liderado por Ng expandiu a compreensão dos cientistas sobre o papel do isopreno na formação de SOA. Anteriormente, a maioria dos cientistas pensava que os níveis de óxidos de nitrogênio - frequentemente produzidos por carros, caminhões, e usinas de energia que queimam combustíveis fósseis - níveis determinados de SOA. Seu estudo descobriu que o isopreno e os produtos químicos que se formam como resultado dele são ainda mais importantes do que apenas os níveis de óxido de nitrogênio. Foram as complexas interações entre VOCs (incluindo isopreno) e os óxidos de nitrogênio que tiveram o maior efeito de todos nas características do SOA.

Desde então, outros estudos de laboratório examinaram como os VOCs interagem com uma variedade de poluentes da combustão de combustíveis fósseis, incluindo sulfato e amônia produzida pela agricultura. Em ambos os estudos, as emissões de origem humana revestiram os VOCs biológicos. Isso mudou fundamentalmente a forma como os VOCs se tornaram SOAs e as próprias características dos SOAs.

Com esses insights do laboratório, o projeto GoAmazon examinou como essas interações funcionavam no mundo real. Em particular, a equipe de pesquisa investigou profundamente a relação entre as emissões das plantas e a poluição causada pelo homem.

Para ir para onde os dados estavam, eles voaram um avião através de uma coluna flutuante de poluição da cidade de Manaus, que fica nas profundezas da Amazônia. Os cientistas descobriram que os compostos orgânicos voláteis reagiram com o oxigênio várias vezes mais rápida e intensamente dentro da área poluída do que fora dela. Além disso, a poluição mudou fundamentalmente o processo de transformação de VOCs em SOAs. Os pesquisadores mediram uma série de compostos químicos dentro da pluma que estavam ausentes fora dela.

No chão, cientistas coletaram amostras de ar em uma grande clareira cercada por uma floresta tropical. Ao expor o ar ambiente a altas concentrações de gases que reagem com VOCs dentro de um recipiente, eles simularam os resultados de dias ou meses de produção de SOA. Eles descobriram que havia quatro a cinco vezes mais SOAs durante a estação seca do que na estação chuvosa. Surpreendentemente, eles também descobriram que havia significativamente mais SOAs do que os VOCs sozinhos poderiam produzir. Esse resultado sugere que os VOCs não são os únicos gases que desempenham um papel importante na formação de SOA - mais uma lacuna em nosso entendimento.

No ar

As coisas realmente decolam quando SOAs flutuam na atmosfera.

"Os aerossóis agem como uma semente para formar nuvens, "disse Ng. Se vapor de água suficiente se condensar neles, eles podem eventualmente se tornar gotas de chuva.

Mas muita coisa precisa acontecer antes de chover. Tamanho dos SOAs, do que eles são feitos, como eles se movem, e há quanto tempo eles estão no ar determinam quão bem eles absorvem ou liberam água.

Um dos estudos da GoAmazon analisou como as partículas baseadas em carbono (principalmente naturais) e as partículas não baseadas em carbono (principalmente feitas pelo homem) absorviam e liberavam água de maneiras diferentes. Estudos de laboratório anteriores sugeriram que a maneira como as partículas coletam o vapor de água depende principalmente das concentrações de poluentes que interagem com SOAs. Mas no mundo real, dependia muito mais das concentrações de SOAs e de outros aerossóis.

Outro estudo da GoAmazon forneceu resultados que contradizem as percepções comumente aceitas. Os cientistas não achavam que os menores aerossóis pudessem afetar a formação de nuvens. Eles simplesmente não eram grandes o suficiente. Mas o estudo descobriu que essas minúsculas partículas podem realmente tornar as tempestades na Amazônia mais intensas, nuvens maiores, e é mais provável que a chuva caia.

"Este estudo abre uma nova porta para a compreensão de como os aerossóis afetam as nuvens e o clima nessas regiões quentes e úmidas, "disse Jiwen Fan, outro cientista PNNL.

Embora o estudo não tenha determinado se esses minúsculos aerossóis se desenvolveram a partir de VOCs, um estudo de acompanhamento está examinando essa questão. Expandir o conhecimento dos cientistas sobre os efeitos dos SOAs na formação de nuvens ajuda os cientistas a rastrear como os sistemas meteorológicos e climáticos mudam ao longo do tempo.

As relações ecológicas entrelaçadas da Amazônia, variando das árvores às nuvens, continua a surpreender os cientistas.

Como disse Jardine, "Olhar para as interfaces desses sistemas é muito desafiador, mas também é onde está a maior parte das oportunidades. "