Засуха в Амазонии меняет химический состав атмосферы Земли

Фото из открытых источников

Во время самой сильной засухи в Амазонии за всю историю наблюдений под землей произошло нечто странное. Почва, которая обычно действует как губка, незаметно впитывая из воздуха вырабатываемый растениями газ изопрен, в основном просто перестала это делать.

Новые исследования показывают, что способность грунта поглощать этот газ снизилась примерно до четверти от нормального уровня после того, как засуха и жара довели условия до экстремальных значений. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications Earth & Environment.

Эти изменения имеют последствия, выходящие далеко за пределы подстилки тропического леса. Работу возглавили исследователи из Института химии им. Макса Планка в Майнце. Команда провела несколько сезонов, измеряя перемещение изопрена в почву тропического леса.

Исследование включало в себя рекордно засушливый сезон 2023 года, когда мощное явление Эль-Ниньо привело к исторически низкому уровню воды в реках и заметно ослабило растительность по всему региону.

Изопрен получают из растений, и тропические леса производят его в колоссальных количествах: более 500 мегатонн по всему миру ежегодно, причем Амазония является одним из крупнейших источников на планете. 

Почва играет важную роль, поглощая изопрен из атмосферы и помогая контролировать его уровень. Как это на самом деле проявится в условиях реальной засухи, в настоящем действующем тропическом лесу, а не в лаборатории, остается загадкой.

Отчасти это объясняется просто логистическими соображениями. Измерять газообмен между почвой и атмосферой сезон за сезоном в Амазонии, а затем оказаться там во время исторической засухи — это то, к чему исследователи не могут подготовиться.  К счастью, эта команда зафиксировала этот процесс в процессе его осуществления.

«Наши результаты показывают, что в условиях экстремального климата, вызванного явлением Эль-Ниньо 2023 года, поглощение изопрена почвой резко перестало реагировать на повышение концентрации изопрена в окружающей среде», — сказал Джованни Пульезе из Института Макса Планка. «Результаты согласуются с физиологическим ограничением активности почвенных микроорганизмов, разлагающих изопрен, когда влажность почвы падает ниже 20 процентов».

Микроорганизмы, которые обычно расщепляют изопрен в почве, похоже, сталкиваются с препятствием, когда уровень влажности падает ниже определенного уровня. На этом этапе не имеет значения, сколько изопрена находится в воздухе над ними. Микробы просто не справляются.

Показатель поглощения снизился более чем в четыре раза по сравнению с нормальными условиями, и это снижение было резким. Изопрен не просто бесконечно витает в воздухе после выброса. Он распадается в основном под действием гидроксильных радикалов, основного очистителя атмосферы, а озон играет меньшую роль. 

Эти химические процессы оказывают далеко идущее влияние не только на сам изопрен, но и на продолжительность существования парниковых газов, таких как метан, а также на скорость образования вторичных органических аэрозолей.

Уровень изопрена в воздухе — это, по сути, борьба между тремя факторами: количеством выбросов растительного покрова, скоростью его распада в атмосфере и способностью почвы восстанавливать его. Если потревожить хотя бы один из этих трех элементов — а именно это и произошло в 2023 году, — последствия этого не ограничатся только лесом. 

Исследователи обнаружили, что когда экосистема Амазонии сталкивается с кратковременными засухами и экстремальными жарами, это приводит к повышению уровня изопрена в атмосфере. Это происходит за счет увеличения выбросов углекислого газа из растительного покрова и одновременного ослабления способности почвы поглощать вредные вещества.

Это соответствует тому, что уже известно ученым о причинах выработки изопрена растениями: для защиты от жары и окислительного стресса. В период засухи деревья, по-видимому, увеличивают производство изопрена.

В то же время способность почвы поглощать газ снижается, что приводит к двойному эффекту, еще большему повышению уровня изопрена в атмосфере. Это тоже не совсем новое явление. Оно перекликается с более ранним экспериментом по созданию искусственного тропического леса, в котором изучалось, как засуха и повторное увлажнение влияют на обмен биогенных летучих органических соединений (ЛОС) в почве. 

Там, как только влажность опускалась ниже 19 процентов, почва не просто меньше впитывала вещества. Она полностью меняла свою структуру, превращаясь из поглотителя в чистый источник летучих органических соединений. Эти более ранние данные почти пугающе точно совпадают с тем, что сейчас наблюдается в настоящей Амазонии. 

Это говорит о том, что это не случайность, связанная именно с засухой 2023 года, а пороговое поведение, которого почвенные микроорганизмы довольно стабильно достигают, как только становится достаточно сухо, где бы это ни происходило. Во всем этом скрывается замкнутый круг обратной связи. Повышенный уровень изопрена отражает не только стресс от засухи.

Они также снижают окислительную способность атмосферы и увеличивают время сохранения метана в атмосфере, добавляя еще один фактор, негативно влияющий на климат, помимо самой засухи. 

Остается открытым вопрос, ухудшится ли ситуация по мере того, как засухи, вызванные явлением Эль-Ниньо, будут становиться все более частыми и интенсивными, или же почвенные микроорганизмы в конечном итоге адаптируются к более жаркому и засушливому климату.

Исследователи утверждают, что глобальные климатические модели должны рассматривать поглощение изопрена почвой как реальный, изменчивый фактор, а не игнорировать его. Без этих изменений они вряд ли смогут точно отразить, как эти климатические обратные связи проявляются в тропиках.