프랑크푸르트 괴테대학교, 막스플랑크 화학연구소, 헬싱키대학교, 라이프니츠 대류권 연구소의 연구자들이 참여한 두 가지 획기적인 연구와 브라질의 협력이 새로운 기후 메커니즘을 발견했습니다. 아마존 열대우림은 식물 증산을 통해 다량의 기체 이소프렌을 방출합니다. 이전에 과학자들은 이소프렌이 햇빛에 노출되면 빠르게 분해되기 때문에 장거리 대기권으로 들어갈 수 없다고 생각했습니다. 그러나 Nature의 표지 기사에 제시된 CAFE-Brazil 측정 캠페인의 데이터는 다른 통찰력을 보여줍니다.
연구에 따르면 야간 뇌우는 이소프렌을 최대 15km까지 공중으로 운반할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 높은 고도에서 이소프렌은 반응하여 다량의 새로운 에어로졸 입자를 생성하는 화합물을 형성합니다. 이 입자들은 계속 성장하여 응축핵이 되어 구름 형성을 촉진합니다. 이 과정은 기후에 영향을 미쳐 열대 우림 생태계와 대기 역학 사이의 복잡한 상호 작용을 강조할 수 있습니다.
여름 숲 속 산책을 할 때 공기를 가득 채우는 향기로운 향기를 즐기지 않은 사람이 있을까요? 이러한 전형적인 냄새의 원인 중 하나는 나무 수지와 에센셜 오일에서 발견되는 물질의 일종인 테르펜 때문입니다. 주요하고 가장 풍부한 분자는 이소프렌입니다. 전 세계 식물은 매년 주변 대기로 5억~6억 톤의 이소프렌을 방출하는 것으로 추정되며, 이는 식물에서 배출되는 기체 유기 화합물의 전체 배출량의 약 절반을 차지합니다. 프랑크푸르트 괴테 대학의 대기 연구원인 요아킴 커티우스(Joachim Curtius) 교수는 이렇게 설명합니다. "아마존 열대 우림에서만 이소프렌 방출의 4분의 1 이상이 발생합니다."
지금까지 아마존의 이소프렌은 빠르게 분해되어 상층 대기로 유입되지 않는 것으로 생각되어 왔습니다. 낮 동안 태양이 빛날 때 땅 근처 대기에서 수산기 라디칼이 형성되기 때문이다. 이는 반응성이 매우 높으며 몇 시간 내에 이소프렌 분자를 파괴할 수 있습니다. "그러나 우리는 이것이 진실의 일부일 뿐이라는 것을 보여주었습니다. 밤에도 열대 우림에는 여전히 상당한 양의 이소프렌이 있으며, 이들 분자의 상당 부분은 대기 중 더 높은 곳으로 운반될 수 있습니다"라고 Curtius는 말했습니다.
원인은 밤에 열대우림 위로 불어오는 열대 뇌우입니다. 그들은 진공청소기처럼 이소프렌을 빨아들여 고도 8~15km까지 보낸다. 해가 뜨자마자 수산기 라디칼이 형성되어 이소프렌과 반응합니다. 그러나 높은 고도의 극도로 낮은 온도에서는 열대우림 분자가 지상에서 발견되는 것과 다른 화합물로 전환됩니다. 이는 뇌우 시 번개에 의해 생성된 질소산화물과 결합합니다. 이들 분자 중 다수는 서로 뭉쳐서 수 나노미터의 에어로졸 입자를 형성합니다. 결과적으로 이러한 입자는 시간이 지남에 따라 크기가 커지고 수증기의 응축 핵이 되어 열대 지방의 구름 형성에 중요한 역할을 합니다.
Jos Lelieveld 교수는 다음과 같이 설명합니다. "우리는 일출 2시간 전에 시작하여 하루 종일 지속된 연구 비행을 통해 이러한 과정을 밝힐 수 있었습니다. 우리는 높은 고도의 뇌우에서 흘러나오는 공기에서 다량의 이소프렌을 감지할 수 있었고 몇 가지 화학 반응 후에 새로운 에어로졸 입자가 빠르게 형성되는 것을 확인할 수 있었습니다." 그는 마인츠에 있는 막스 플랑크 화학 연구소 소장이자 CAFE-Brazil 연구 프로젝트(대기 화학: 브라질 현장 실험)의 책임자입니다. 이 프로젝트에서는 국제 연구팀이 아마존 열대 우림의 대기 화학 과정에 대한 데이터를 수집하고 있습니다. "
Curtius와 Lelieveld는 CAFE-Brazil의 파트너일 뿐만 아니라 대기 중 기후 관련 화학 과정을 연구하는 20개 이상의 연구 그룹으로 구성된 CLOUD 컨소시엄에도 참여하고 있습니다. 그들은 제네바 CERN의 에어로졸 및 구름 실험실에서 이 고도의 조건을 재현했습니다. 이 시뮬레이션 챔버의 도움으로 그들은 햇빛에 의해 어떤 반응이 유발되는지 자세히 분석했습니다.
이소프렌 실험을 담당한 대기 연구원인 Dr. He Xucheng은 다음과 같이 설명했습니다. "이 방법을 통해 우리는 이소프렌 생성물이 에어로졸 입자를 형성하는 속도를 정확하게 결정할 수 있었습니다. 흥미롭게도 이 연구에서는 대기에서 흔히 발견되는 미량의 황산과 요오드 산화물조차도 에어로졸 입자의 형성 속도를 100배나 가속화하기에 충분하다는 사실을 발견했습니다. 따라서 이러한 분자는 기후에서 불확실한 과정인 해양 구름의 형성에 집합적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 예측."
황산은 다양한 황 함유 물질로 인해 대기 중에 형성됩니다. 주로 이산화황과 수산기 라디칼의 반응에 의해 생성됩니다. CLOUD 실험에서 프랑크푸르트 연구 그룹은 매우 낮은 농도의 황산을 측정한 반면, 마인츠 그룹은 수산기 라디칼을 측정했습니다.
아마존 열대우림 위의 높은 고도의 바람은 이소프렌 형성 입자를 근원지에서 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 운반할 수 있습니다. 이는 먼 구름의 형성에 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 구름은 종류와 높이가 다양하기 때문에 태양 복사를 차단하고 열이 우주로 방출되는 것을 방지하여 기후에 중요한 역할을 합니다. 따라서 연구자들은 이번 연구 결과가 기후 모델을 개선하는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다.
CAFE-브라질 프로젝트의 결과는 또한 아마존 열대우림의 지속적인 삼림 벌채가 두 가지 방식으로 기후에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. Curtius는 "한편으로는 숲이 더 이상 이산화탄소를 저장하지 않기 때문에 온실 가스가 방출됩니다. 다른 한편으로 숲을 개간하는 것은 물 순환과 이소프렌 배출에 영향을 미쳐 기후 변화를 더욱 촉진합니다"라고 말했습니다.
/ScitechDaily에서 편집됨
DOI:10.1038/s41586-024-08192-4