CERN의 CLOUD 국제 프로젝트의 일환으로 PSI 연구원들은 소위 세스퀴테르펜(식물에서 방출되는 기체 탄화수소)이 구름 형성의 주요 요인이라는 사실을 발견했습니다. 이번 발견은 기후 모델의 불확실성을 줄이고 보다 정확한 예측을 내리는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 연구는 현재 Science Advances 저널에 게재되었습니다.
기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC)의 최신 예측에 따르면, 2100년까지 세계 기후는 산업화 이전 수준보다 섭씨 1.5~4.4도 더 따뜻해질 것입니다. 이 수치는 미래에 인위적인 온실가스 배출이 어떻게 전개될 것인지를 설명하는 다양한 가상 시나리오를 기반으로 합니다. 따라서 최선의 시나리오에서 배출가스를 신속하고 완벽하게 통제할 수 있다면 파리 협약에 명시된 섭씨 1.5도 목표를 여전히 달성할 수 있습니다. 최악의 경우에는 이 목표를 훨씬 초과할 것입니다.
그러나 이 예측에는 어느 정도 불확실성이 있습니다. 예를 들어, 최악의 시나리오에서 배출량이 계속 급격하게 증가하면 온도 상승은 섭씨 4.4도 대신 최저 3.3도, 최고 5.7도까지 올라갈 수 있습니다.
온실가스 배출의 구체적인 변화가 온도 변화를 어떻게 유발하는지 예측할 때 이러한 불확실성은 주로 과학자들이 대기에서 발생하는 모든 과정, 즉 대기 중 다양한 가스와 에어로졸 간의 상호 작용을 아직 완전히 이해하지 못한다는 사실에 기인합니다. 제네바에 있는 CERN 핵 연구 센터의 대기 연구자들은 이러한 프로세스를 확립하는 것을 목표로 하는 국제 협력 프로젝트인 CLOUD(Cosmic Droplets Leaving Outdoors) 프로젝트를 시작했습니다. PSI는 CLOUD 테스트 챔버 구축을 도왔으며 프로젝트 운영 위원회의 회원입니다.
구름 형성의 미스터리
특히 미래에 구름이 어떻게 형성될지는 대부분 미스터리로 남아 있습니다. 그러나 더 많은 구름이 더 많은 태양 복사를 반사하여 지구 표면을 냉각시키기 때문에 이는 기후 예측의 핵심 요소입니다.
구름을 구성하는 물방울을 형성하려면 수증기가 응결할 수 있는 고체 또는 액체 입자인 응결핵이 필요합니다. 이러한 입자는 자연과 인간 활동에 의해 생성되어 공기 중으로 방출되는 직경 0.1~10 마이크론 사이의 작은 고체 또는 액체 입자인 다양한 에어로졸에 의해 제공됩니다. 이러한 입자에는 바다의 소금, 사막의 모래, 산업 및 교통으로 인한 오염 물질, 화재로 인한 연기 입자가 포함됩니다.
그러나 공기 중의 서로 다른 기체 분자가 결합하여 고체를 형성할 때 모든 응축 핵의 약 절반이 실제로 형성됩니다. 전문가들은 이 현상을 "핵 생성" 또는 "새로운 입자 형성"(NPF)이라고 부릅니다. 처음에 이러한 입자는 크기가 몇 나노미터에 불과할 정도로 매우 작으나 시간이 지나면서 기체 분자의 응축을 통해 성장하여 응축 핵이 됩니다.
냄새로 느낄 수 있는 온실가스
입자 형성을 유발하는 주요 인위적 가스는 주로 석탄과 석유의 연소로 인해 발생하는 황산 형태의 이산화황입니다. 이러한 천연 가스 중 가장 중요한 것은 소위 이소올레핀, 모노테르펜 및 세스퀴테르펜입니다. 이들은 주로 식물에 의해 방출되는 탄화수소입니다. 예를 들어 잔디를 깎거나 숲을 산책할 때 냄새가 나는 에센셜 오일의 주성분입니다. 이러한 물질이 산화되면, 즉 오존과 반응하여 공기 중에 에어로졸을 형성합니다.
PSI의 대기과학자 Lubna Dada는 다음과 같이 말했습니다. "최근 몇 년 동안 공기 중 이산화황 농도가 크게 떨어졌으며 보다 엄격한 환경법으로 인해 계속해서 떨어질 것이라는 점에 유의해야 합니다. 반면에 식물 성장으로 인해 테르펜 농도는 증가하고 있습니다. "
따라서 기후 예측을 개선하기 위한 가장 큰 문제는 어떤 요인이 영향을 미칠 것인가입니다. 지배하여 어느 정도 구름이 형성됩니다. 이 질문에 대답하려면 이들 물질 각각이 새로운 입자 형성에 어떻게 기여하는지 알아야 합니다. 황산에 대해서는 이미 많은 것이 알려져 있으며, PSI가 참여하는 현장 측정 및 CLOUD와 같은 실험실 실험 덕분에 모노테르펜과 이소프렌의 역할이 이제 더 잘 이해되고 있습니다.
세스퀴테르펜은 드물지만 강력합니다.
"지금까지 세스퀴테르펜은 연구의 초점이 되지 않았습니다." Dada는 "이것은 측정하기 어렵기 때문입니다. 첫째, 오존과 매우 빠르게 반응하기 때문이고, 둘째, 다른 물질에 비해 훨씬 덜 자주 나타나기 때문입니다. "
매년 지구상에 약 4억 6,500만 톤의 이소프렌과 9,100만 톤의 모노테르펜이 배출되는 반면, 세스퀴테르펜은 2,400만 톤에 불과합니다. 그럼에도 불구하고 이들 화합물은 구름 형성에 중요한 역할을 합니다. 측정에 따르면, 이들은 동일한 농도의 다른 두 유기 물질보다 10배 더 많은 입자를 형성합니다.
이를 확인하기 위해 Dada와 그녀의 협력자들은 CERN(유럽 핵 연구 센터)의 독특한 CLOUD 실험실을 사용했습니다. 테스트 챔버는 다양한 대기 조건을 시뮬레이션하는 밀폐된 공간입니다. 이 기후 챔버는 거의 30입방미터에 달하며 세계에서 가장 순수합니다. 순도가 매우 높아 대기 중에 기록된 매우 낮은 농도에서도 세스퀴테르펜을 연구할 수 있습니다.
이것이 바로 이 연구에 관한 것이었습니다. 이번 연구는 대기 중 생물학적 입자의 형성을 시뮬레이션하는 것을 목표로 했습니다. 보다 구체적으로, 연구자들은 인위적인 이산화황 배출이 없었던 산업화 이전 시대를 연구하는 데 관심이 있었습니다. 이를 통해 인간 활동의 영향을 보다 명확하게 결정하고 미래에 예측할 수 있습니다. 그러나 인간에 의한 이산화황 배출은 오랫동안 자연계 어디에나 존재해 왔습니다. 이것이 구름상자만이 가능한 또 다른 이유입니다. 또한 통제된 조건 하에서 산업화 이전의 혼합물을 생산할 수도 있습니다.
지속적인 입자는 더 많은 구름을 가져옵니다.
실험에 따르면 순수한 공기 중 이소프렌, 모노테르펜 및 세스퀴테르펜의 천연 혼합물이 산화되면 소위 ULVOC(초저휘발성 유기물)라고 불리는 수많은 유기 화합물이 생성되는 것으로 나타났습니다. 화합물). 이름에서 알 수 있듯이 이러한 유기 화합물은 휘발성이 높지 않으므로 시간이 지남에 따라 크기가 커지고 응축 핵이 되는 입자를 형성하는 데 매우 효율적입니다. 세스퀴테르펜의 극적인 효과는 연구자들이 이소펜텐과 모노테르펜만 함유한 현탁액에 세스퀴테르펜을 첨가했을 때 명백해졌습니다. 2%만 추가해도 새로운 입자 형성 속도가 두 배로 늘어났습니다. 이는 세스퀴테르펜 분자가 15개의 탄소 원자로 구성되는 반면, 모노테르펜은 단 10개의 탄소 원자로 구성되고 이소펜텐은 단 5개의 탄소 원자로 구성된다는 사실로 설명할 수 있습니다.
한편, 이번 연구는 식생이 날씨와 기후에 영향을 미치는 또 다른 방식을 밝힙니다. 그러나 가장 중요한 것은 이번 연구 결과에서 세스퀴테르펜이 이소펜텐 및 모노테르펜과 함께 미래 기후 모델에 별도의 요인으로 포함되어 예측이 더 정확해야 한다는 점입니다. 특히 대기 중 이산화황 농도의 감소와 기후 스트레스로 인한 생물학적 배출의 동시 증가를 고려할 때 이는 후자가 미래 기후에 더 큰 영향을 미칠 가능성이 있음을 의미합니다. 그러나 구름 형성 예측을 더욱 향상시키기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 대기 화학 연구소는 이미 이러한 연구를 계획하고 있습니다.
대기 분자 과정 연구 그룹의 책임자인 Imad El-Haddad는 다음과 같이 말했습니다. "다음으로 우리와 CLOUD 파트너는 자연 대기가 이산화황, 암모니아 및 기타 인위적 유기 화합물과 같은 인위적 가스와 점점 더 혼합되던 산업화 기간 동안 정확히 무슨 일이 일어났는지 조사하고 싶습니다."