Дослідження, проведене Дартмутським коледжем з використанням кернів льоду з Аляски та Гренландії, показало, що значні рівні забруднення повітря від спалювання викопного палива досягли Арктики, суттєво вплинувши на хімічний склад її атмосфери. Ці результати підкреслюють масштабний вплив викидів викопного палива і наголошують на ефективності правил чистого повітря, які, на думку дослідницької групи, можуть пом’якшити ці наслідки.
Вплив забруднення на Арктику почався, як тільки в індустріальну епоху почалося широке використання викопного палива, йдеться у звіті, опублікованому в журналі Nature Geoscience. Дослідники виявили цей слід у несподіваному місці – вони виміряли зниження вмісту в повітрі побічного продукту діяльності морського фітопланктону, відомого як метансульфонова кислота, або MSA, який був зафіксований у крижаних кернах, коли забруднення повітря почало зростати.
Фітопланктон є ключовим видом у харчових ланцюгах океану, а кругообіг вуглецю вважається індикатором реакції океану на зміну клімату. MSA використовується вченими як індикатор зниження продуктивності фітопланктону і, таким чином, екосистеми океану, що перебуває в біді.
Але команда під керівництвом Дартмута повідомляє, що MSA також різко падає в середовищах з високим рівнем викидів, спричинених спалюванням викопного палива, навіть якщо кількість фітопланктону є стабільною. Їхні моделі показали, що ці викиди призводять до того, що початкова молекула, яку виробляє фітопланктон – диметилсульфід – перетворюється на сульфат, а не на MSA, що призводить до оманливого падіння рівня MSA.
Дослідники виявили стрімке падіння рівня MSA, яке збіглося з початком індустріалізації. Коли в середині 1800-х років Європа та Північна Америка почали спалювати велику кількість викопного палива, рівень MSA в льодовиках Гренландії почав різко падати. Потім, майже через століття, той самий біомаркер різко знизився в кернах льоду з Аляски приблизно в той самий час, коли Східна Азія зазнала масштабної індустріалізації.
Віддалені наслідки забруднення повітря
«Наше дослідження є яскравим прикладом того, як забруднення повітря може суттєво змінити хімічний склад атмосфери за тисячі миль. Забруднення, викидане в Азію чи Європу, там не було стримано», — каже Джейкоб Чаліф, перший автор дослідження та аспірант у лабораторії старшого автора Еріха Остерберга, доцента наук про Землю в Дартмуті.
«Викидаючи все це забруднення у світ, ми докорінно змінюємо атмосферні процеси», — каже Чаліф. «Той факт, що ці віддалені райони Арктики бачать ці незаперечні відбитки людини, свідчить про те, що буквально немає жодного куточка планети, якого б ми не торкнулися».
Нове дослідження розв’язує багаторічну морську таємницю, пов’язану з значенням MSA, каже Остерберг, який очолював видобуток 700-футового керна льоду з національного парку та заповідника Деналі, який дослідники використовували у своєму аналізі. Остерберг зібрав ядро у 2013 році разом зі співавторами дослідження та професорами Кемероном Уейком з Університету Нової Англії та випускником Карла Кройца та Дартмута Домініком Вінскі ’09, який також отримав ступінь доктора філософії в Дартмуті в 2018 році, в Університеті Мен.
Керн Деналі містить кліматичні дані за тисячоліття у вигляді бульбашок газу, частинок і сполук, захоплених льодом, включаючи MSA, який є загальною метою аналізу керна льоду. Століттями MSA в ядрі Деналі зазнавав незначних коливань, «до середини 20-го століття, коли він впав зі столу», говорить Остерберг.
Дослідники з лабораторії ICE Остерберга, яку спочатку очолив співавтор дослідження та випускник Дартмута Девід Полашенскі ’17, почали досліджувати, що вказує стрімке падіння рівнів MSA щодо північної частини Тихого океану. Пізніше Остерберг і співавтор дослідження Бесс Кофман, професор коледжу Колбі, яка була докторантом у Дартмуті, перевірили численні теорії, щоб пояснити, чому Denali MSA відмовився. Подібно до дослідження в Гренландії, вони спочатку розглянули, чи є падіння MSA доказом падіння морської продуктивності, «але нічого не додалося», — каже Остерберг. «Це була загадка».
Чаліф зайнявся проектом приблизно в той час, коли співавтор дослідження та випускниця Дартмута Урсула Джонджблод ’18, нині аспірантка Вашингтонського університету , переоцінювала дослідження 2019 року про керни льоду в Гренландії, повідомляючи, що MSA там зазнав стабільного падіння на початку у 1800-х роках. Це дослідження пов’язало падіння з падінням популяції фітопланктону в субарктичній Атлантиці через уповільнення океанських течій.
Але робота Йонгеблода призвела до дослідження, опублікованого минулого року, яке повідомило, що зниження MSA, виявлене в кернах льоду Гренландії, не є результатом краху морської екосистеми. Натомість вони можуть бути спричинені забрудненням, яке перешкоджає утворенню MSA.
Чаліф і Йонгеблод зустрілися на конференції в Швейцарії в 2022 році та обговорили записи MSA Гренландії та Деналі. «Ми переосмислили всі наші попередні припущення, — каже Чаліф. «Ми знали, що зниження MSA в Деналі не було пов’язано з морською продуктивністю, тому ми знали, що це має бути якась зміна в хімічному складі атмосфери».
Вони обговорили можливий вплив нітратного забруднення, яке зазвичай викидається в результаті спалювання викопного палива. Того ж вечора Чаліф почав досліджувати вплив нітратів на MSA.
«Майже в рік, коли MSA знижується в Деналі, рівень нітратів стрімко зростає. Дуже схоже сталося в Гренландії», — каже Чаліф. «У Denali MSA залишається відносно рівним протягом 500 років, без помітної тенденції. Потім у 1962 році він різко падає. Нітрати були схожими, але в протилежному напрямку — вони в основному були рівними протягом століть, а потім різко зростали. Коли я побачив, що у мене був момент еврики».
Вплив забруднення та роль регулювання
Їхні результати показали, що забруднення повітря від спалювання викопного палива поширюється через Атлантичний і Тихий океани та перешкоджає виробленню MSA в Арктиці. На додаток до виключення повсюдного колапсу морської екосистеми, результати відкривають нові можливості для використання рівнів MSA для вимірювання забруднення атмосфери, особливо в регіонах без очевидних джерел викидів, повідомляють дослідники.
«Колапс морської екосистеми просто не працював як пояснення цього зниження MSA, і ці молоді вчені з’ясували, що насправді відбувається», — каже Остерберг.
«Для мене це новий спосіб зрозуміти, як забруднення впливає на нашу атмосферу», — каже він. «Хороша новина полягає в тому, що ми не бачимо краху морських екосистем, яким ми думали. Погана новина полягає в тому, що причиною цього є забруднення повітря».
Але дані з ядра Гренландії показують, що місцева атмосфера почала стабілізуватися, коли забруднення повітря в Європі та Америці стало більш врегульованим, каже Остерберг. MSA відновилася в 1990-х роках, коли рівень забруднення азотом впав. Це тому, що оксиди азоту, тип забруднення, який впливає на MSA, розсіюються протягом кількох днів, на відміну від вуглекислого газу, який залишається в атмосфері століттями.
«Ці дані показують силу нормативних актів щодо зменшення забруднення повітря, що вони можуть мати миттєвий ефект, коли ви перекриєте кран», — каже Остерберг. «Я хвилююся, що молоді люди змиряться з екологічною кризою, тому що ми чуємо лише погані новини. Я вважаю, що важливо визнавати хороші новини, коли ми їх отримуємо. Тут ми бачимо, що правила можуть працювати».