作为欧洲核子研究中心核研究中心国际CLOUD项目的一部分，PSI的研究人员已经确定了所谓的倍半萜烯——植物释放的气态碳氢化合物——是云形成的一个主要因素。这一发现可以减少气候模型的不确定性，并有助于做出更准确的预测。这项研究现已发表在《科学进展》杂志上。
根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的最新预测，到2100年，全球气温将比工业化前升高1.5至4.4摄氏度。这一数字是根据描述未来人为温室气体排放可能如何发展的各种情景得出的。因此，在最好的情况下，如果我们设法迅速而彻底地遏制排放，我们仍然可以实现《巴黎协定》的1.5度目标。在最坏的情况下，我们最终将远远超过这个数字。然而，这种预测也受到一些不确定性的影响。例如，在最坏的情况下，随着排放量继续急剧增加，气温的上升可能低至3.3摄氏度，高至5.7摄氏度，而不是4.4摄氏度。
由于温室气体排放的具体发展，在预测温度将如何变化方面存在这些不确定性，这主要是由于科学家还没有完全了解大气中发生的所有过程——大气中各种气体和气溶胶之间的相互作用。建立它们是CLOUD项目(宇宙离开室外液滴)的目标，这是日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)核研究中心大气研究人员之间的一个国际合作项目。PSI帮助建立了CLOUD室，并且是该项目的指导委员会成员。
云形成的奥秘
特别是未来云量将如何发展，目前仍不明朗。然而，这是预测气候的一个关键因素，因为更多的云反射更多的太阳辐射，从而使地球表面冷却。
为了形成构成云的液滴，水蒸气需要凝结核，即固体或液体粒子，以便在其上凝结。这些是由各种各样的气溶胶提供的，这些气溶胶是直径在0.1到10微米之间的微小固体或液体颗粒，它们由自然和人类活动产生并释放到空气中。例如，这些颗粒可能包括来自海洋的盐、来自沙漠的沙子、来自工业和交通的污染物，或者来自火灾的煤烟颗粒。然而，大约一半的冷凝核实际上是在空气中形成的，当不同的气体分子结合并变成固体时，专家称之为“成核”或“新粒子形成”(NPF)。一开始，这种粒子很小，仅仅比几纳米大，但随着时间的推移，它们可以通过气体分子的凝结而生长，然后作为凝结核。
你能闻到的温室气体
导致颗粒物形成的主要人为气体是硫酸形式的二氧化硫，主要来自燃烧煤和石油。其中最重要的天然气是所谓的异戊二烯、单萜烯和倍半萜烯。这些是主要由植物释放的碳氢化合物。它们是我们在割草或在树林里散步时闻到的精油的关键成分。当这些物质氧化，即与空气中的臭氧反应时，它们就会形成气溶胶。
“应该指出的是，由于更严格的环境立法，空气中的二氧化硫浓度近年来显著下降，并将继续下降，”PSI的大气科学家Lubna Dada说。“另一方面，萜烯的浓度正在增加，因为植物在经历压力时释放更多的萜烯，例如当温度升高和极端天气条件下，植被更频繁地遭受干旱。”因此，改善气候预测的一个大问题是，哪一个因素将占主导地位，导致云的形成增加或减少。要回答这个问题，我们需要知道每一种物质是如何促成新粒子的形成的。人们对硫酸已经有了很多了解，单萜烯和异戊二烯的作用现在也得到了更好的理解，这要归功于像CLOUD这样的现场测量和室内实验，PSI也参与了这些实验。
倍半萜烯很少见，但很有效
到目前为止，倍半萜还不是研究的重点。“这是因为它们很难测量，”达达解释说。“首先是因为它们与臭氧反应非常快，其次是因为它们比其他物质发生的频率要低得多。”每年大约有4.65亿吨异戊二烯和9100万吨单萜烯被释放，而倍半萜仅占2400万吨。然而，达达作为主要作者的这项新研究表明，这些化合物在云的形成中起着重要作用。根据测量，在相同浓度下，它们形成的颗粒比其他两种有机物质多十倍。
为了确定这一点，达达和她的合著者使用了欧洲核子研究中心(CERN)独特的云室。该室是一个密封的房间，可以模拟不同的大气条件。达达说:“这个近30立方米的气候室是世界上同类中最纯净的。”“如此纯净，即使在大气中记录的低浓度下，我们也可以研究倍半萜烯。”
这正是这项研究的目的所在。它的设计是为了模拟大气中生物粒子的形成。更具体地说，研究人员感兴趣的是研究前工业时代，那时没有人为的二氧化硫排放。这使得人类活动的影响可以更清楚地确定并预测到未来。然而，人为的二氧化硫早已在自然界中无处不在。这也是为什么只有云室是可行的另一个原因。它还允许在受控条件下生产工业化前的混合物。
持续的粒子导致更多的云
实验表明，异戊二烯、单萜烯和倍半萜烯的天然混合物在纯净空气中氧化会产生多种有机化合物，即所谓的ULVOCs(超低挥发性有机化合物)。顾名思义，这些物质不容易挥发，因此形成粒子的效率很高，随着时间的推移，这些粒子可以成长为凝结核。当研究人员将倍半萜与异戊二烯和单萜的悬浮液一起加入培养室时，发现了倍半萜的巨大作用。即使只加入2%，新粒子的形成速度也会翻倍。达达说:“这可以用倍半萜分子由15个碳原子组成的事实来解释，而单萜分子只有10个碳原子，异戊二烯分子只有5个碳原子。”
一方面，这项研究揭示了植被影响天气和气候的另一种方式。然而，最重要的是，研究结果表明，倍半萜应该作为一个单独的因素包括在未来的气候模型中，与异戊烯和单萜烯一起，使他们的预测更准确。考虑到大气中二氧化硫浓度的下降和气候压力导致的生物源性排放的同时增加，这一点尤其正确，这意味着后者可能对我们未来的气候变得越来越重要。然而，还需要其他研究来进一步改进云的形成预测。大气化学实验室已经在计划这些了。“下一步，”大气分子过程小组组长伊马德·埃尔·哈达德说，“我们和我们的CLOUD合作伙伴想要调查工业化期间到底发生了什么，当时自然大气中越来越多地混入了人为气体，如二氧化硫、氨和其他人为有机化合物。”
简·伯恩多夫
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