Gepubliceerd op 21 maart 2022
Vegetatie stoot niet alleen zuurstof uit
Vegetatie geeft vluchtige organische stoffen (VOS) vrij. Dit zijn gasvormige moleculen die bestaan uit koolstof- en waterstofatomen. Op wereldniveau overtreffen biogene VOS-emissies de antropogene emissies met een factor tien. Onder de biogene vluchtige organische stoffen (BVOS) wordt één specifieke verbinding in veel hogere verhoudingen uitgestoten dan de andere: isopreen (C5H8). Naar schatting wordt elk jaar wereldwijd 350-800 miljoen ton isopreen uitgestoten. Door de korte levensduur (ongeveer 1 uur) en de extreme variabiliteit van de concentratie in de atmosfeer is het echter uiterst moeilijk de uitstoot van isopreen nauwkeurig te bepalen.
Hoewel op zichzelf onschadelijk, draagt isopreen bij tot de vorming en vermenigvuldiging van fijne deeltjes en, in verontreinigde gebieden, tot ozon. Isopreen is betrekkelijk alomtegenwoordig, maar wordt vooral uitgestoten door bomen in warme, zonnige omstandigheden, vooral in de tropen. De emissies hangen onder meer ook af van het type en de overvloed van de vegetatie of de beschikbaarheid van bodemwater.
Vanwege het belang van deze molecule voor de luchtkwaliteit en het klimaat hebben wetenschappers modelvormingsinstrumenten ontwikkeld om deze te bestuderen. In het kader van het STEREO III-project ALBERI (Assessing Links between Biogenic Emissions and Remotely-sensed photosynthesis Indicators), dat gezamenlijk wordt uitgevoerd door het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie en het H-Cel laboratorium van de Universiteit Gent in samenwerking met het Department of Earth System Science van de Universiteit van Californië, is het de bedoeling om een betere beschrijving op te stellen van de respons van isopreenemissies op vegetatieveranderingen en droogtes, die het voornaamste aandachtspunt van dit verkenningsproject vormen. Laten we eens kijken hoe droogte de uitstoot van isopreen beïnvloedt.
Een overzicht van instrumenten en kennis
Bij gebrek aan rechtstreekse satellietwaarnemingen van isopreen, verschaffen laboratoriumcampagnes en metingen onder natuurlijke omstandigheden waardevolle informatie. Ze bieden echter geen volledig beeld. Om isopreen te bestuderen, maken wetenschappers gebruik van biogene emissiemodellen en satellietwaarnemingen van formaldehyde (HCHO), een gas dat voornamelijk wordt gevormd door de oxidatie van isopreen in de atmosfeer. Een geavanceerd model dat door de deskundigen van het project is ontwikkeld, maakt het mogelijk een verband te leggen tussen isopreen en HCHO door rekening te houden met de interacties en transportprocessen van de chemische verbindingen.
Globale verdeling van gemodelleerde isopreenfluxen in juli 2018. De tropen zijn goed voor 80% van de totale jaarlijkse flux.
Laboratoriumstudies hebben aangetoond dat wanneer planten matige waterstress ondervinden als gevolg van een beperkte beschikbaarheid van water in de bodem, de isopreenemissie toeneemt. Om het waterverlies door transpiratie te beperken, sluiten planten gedeeltelijk hun huidmondjes (kleine gaatjes in de bladeren die uitwisseling met de atmosfeer mogelijk maken), waardoor de bladtemperatuur stijgt en bijgevolg ook de isopreenproductie. De synthese van isopreen is vrij duur in termen van energie voor planten, dus moet het de moeite waard zijn. Terwijl sommige VOS'en, zoals monoterpenen, geassocieerd worden met de aangename geuren van dennen en citroen, is de voornaamste rol van isopreen het beschermen van planten tegen thermische schade. Ernstige of langdurige droogte leidt echter tot een daling van de isopreenemissies als gevolg van een verminderde fotosynthese. Bovendien zijn sommige planten beter aan droogte aangepast dan andere..
De reactie van isopreen op droogte: een uitdaging
Laboratoriumstudies hebben een eenvoudig en lineair verband aangetoond tussen isopreen en in de bodem opgeslagen water. Onlangs werden de isopreenfluxen op de top van een 32 m hoge toren met uitzicht op een bos in het midden van de Verenigde Staten experimenteel gevolgd gedurende twee opeenvolgende zomers tijdens twee droogteperiodes. Deze waarnemingen werden gebruikt om het emissiemodel te verbeteren. De veralgemening van deze actualisering naar grotere schaalniveaus bleek echter moeilijk, omdat ze gebaseerd is op zeer onzekere gegevens zoals zeer heterogene bodemeigenschappen of het omslagpunt dat het begin van de vermindering van de isopreenemissies markeert. Bovendien is één enkele studieplaats niet representatief voor de diversiteit van de milieus op wereldniveau.
Satellietwaarnemingen van formaldehyde met het TROPOMI-instrument in juli 2018. De gemarkeerde kolommen komen overeen met isopreen uitstotende gebieden.
Er moeten dus andere wegen worden verkend. Daartoe behoren het potentieel van zon-geïnduceerde chlorofylfluorescentie (straling die planten uitzenden wanneer zij fotosynthetisch actief zijn) voor droogtedetectie, alsmede het gebruik van nieuwe isopreenmetingen. Isopreen wordt nu vanuit de ruimte geobserveerd, en in België zal de uitstoot van isopreen vanaf juni 2022 continu worden gemonitord op de site van Vielsalm in de Belgische Ardennen. Onderzoek wordt vervolgd...
Zon-geïnduceerde fluorescentie zou kunnen worden gebruikt om het effect van droogte op isopreen te monitoren.
ALBERI, een springplank voor toekomstig onderzoek
Onze kennis van isopreenemissies stelt ons in staat de vorming van ozon en fijne deeltjes en de invloed daarvan op de luchtkwaliteit en het klimaat beter te beoordelen. In een toekomst waarin de wereld vaker en intenser te maken zal krijgen met droogte, is het van essentieel belang inzicht te krijgen in de reactie van isopreenemissies op milieustressoren zoals waterstress.
Het ALBERI-project heeft de aandacht gevestigd op de sterke punten en beperkingen van het gebruik van zeer heterogene bodemeigenschappen als droogte-indicatoren. De resultaten van het ALBERI-project vormen een springplank voor toekomstig onderzoek dat de wetenschappelijke gemeenschap zal helpen de onzekerheden in isopreenemissies te verminderen, met inbegrip van nieuwe satellietwaarnemingen van zon-geïnduceerde fluorescentie en isopreen, alsmede in situ-metingen van de fluxen in het bladerdak. Aangezien een toename van de isopreenemissies een indicatie is voor het begin van thermische en waterstress, zou satellietmonitoring van isopreen bovendien kunnen worden onderzocht als een potentieel instrument voor het monitoren van vegetatiestress.
Meer informatie
STEREO III-project STR3S: Fluorescentie voor een beter begrip van transpiratie
Hoe beïnvloeden bomen de atmosfeer en het klimaat van de aarde? (BIRA/IASB)