DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-8051-2026
تاريخ النشر: 2026-06-11
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير عمق البخار الضوئي للهباء الجوي (AOD) على الطاقة السطحية وتدفقات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في غابة الأمازون المطيرة غير المضطربة، باستخدام بيانات الأرصاد الجوية طويلة الأجل من مرصد برج الأمازون العالي (ATTO) التي تم جمعها بين عامي 2016 و2022. تكشف الأبحاث أن تركيزات الهباء الجوي العالية (AOD > 0.40) تقلل بشكل كبير من تدفق الحرارة الحساسة (H) وتدفق الحرارة الكامنة (LE) بحوالي 13.5% و2.1%، على التوالي، بينما تعزز امتصاص CO₂ (FCO₂) بحوالي 39.5%. يتوافق هذا الانخفاض في تدفقات الطاقة مع تبريد بحوالي 0.9 °C في قمة الغطاء النباتي، ويعزى ذلك إلى انخفاض بنسبة 2.8% في الإشعاع الشمسي الوارد.
تشير النتائج إلى أن الهباء الجوي يلعب دورًا حاسمًا في تعديل تقسيم الطاقة داخل نظام الغابات الاستوائية، خاصة خلال فترات الإشعاع القصوى. تؤسس الدراسة عتبة AOD تبلغ 0.40، فوقها تحدث تغييرات كبيرة في تدفقات الطاقة وCO₂، مما يشير إلى أن المناطق ذات الأحمال العالية من الهباء الجوي قد تواجه تأثيرات أكثر وضوحًا على توازن الطاقة. التفاعلات بين الهباء الجوي وتدفقات السطح المضطربة هي بشكل أساسي غير مباشرة وغير خطية، تتأثر بالمتغيرات البيئية مثل الإشعاع ودرجة الحرارة والرطوبة. تعزز هذه الأبحاث الفهم لتأثيرات الهباء الجوي على نظام المناخ في الأمازون وتؤكد الحاجة إلى مزيد من الدراسات التي تستخدم الاستشعار عن بعد وبيانات الميكرو-مناخ لتحليل هذه الديناميات عبر المنطقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للهباوات الجوية، وهي جزيئات صلبة أو سائلة معلقة في الهواء، في التأثير على عمليات نظام الأرض المختلفة، بما في ذلك الدورات الجوية والهيدرولوجية، فضلاً عن ديناميات النظام البيئي. تتفاعل الهباوات مع الإشعاع الشمسي، مما يؤثر على توازن الطاقة والمناخ على الأرض، وتعمل كنوى تكاثف السحب، مما يعدل خصائص السحب وأنماط الهطول. من الجدير بالذكر أن تركيزات الهباء الجوي العالية يمكن أن تقمع الهطول وتغير تركيزات الغاز بالقرب من السطح، بينما تؤثر أيضًا على التبخر العالمي، خاصة في الغابات الاستوائية.
كانت منطقة الأمازون نقطة محورية للبحث في تفاعلات الهباء الجوي مع الغلاف الحيوي والغلاف الجوي، مع إجراء دراسات كبيرة منذ الثمانينيات. كان مشروع مرصد برج الأمازون العالي (ATTO) محوريًا في مراقبة هذه التفاعلات، كاشفًا أن الكربون العضوي يشكل أكثر من 80% من كتلة الهباء الجوي، مع ارتباطات بالتغيرات الموسمية في الحرق. تؤكد المقدمة على آليات التغذية الراجعة المعقدة بين تغييرات استخدام الأراضي، وتلوث الهباء الجوي، والمناخ الإقليمي، والتي يمكن أن تؤدي إلى حالات مناخية متميزة. على الرغم من التقدم في فهم هذه التفاعلات، لا تزال هناك عدم يقين بشأن تأثير الهباء الجوي على تدفقات الطاقة والكربون. تهدف هذه الدراسة إلى معالجة هذه الفجوات من خلال تقييم تأثير الهباء الجوي على تدفقات الطاقة والكربون عند واجهة الغابة والغلاف الجوي في منطقة غير مضطربة من الأمازون، باستخدام قياسات طويلة الأجل في الموقع من 2016 إلى 2022.
الطرق
استخدمت الدراسة بيانات من مشروع مرصد برج الأمازون العالي (ATTO)، الذي يجمع قياسات مستمرة في بيئة غابة استوائية نقية منذ عام 2012. يقع الموقع التجريبي في وسط الأمازون، ويتميز ببرج فوري ارتفاعه 81 م يقع على هضبة بارتفاع 120 م فوق مستوى سطح البحر. ركزت الأبحاث على تحليل بيانات الأرصاد الجوية وتدفقات البيانات التي تم جمعها من 2016 إلى 2022، بما في ذلك سرعة الرياح، وتدفق الحرارة الحساسة، وتدفق الحرارة الكامنة، وتدفق ثاني أكسيد الكربون، جميعها متوسطة على فترات زمنية مدتها 30 دقيقة باستخدام برنامج EddyPro®. تم تنظيم مجموعة البيانات موسميًا إلى أربعة فترات متميزة: موسم رطب، انتقال رطب-جاف، موسم جاف، وانتقال جاف-رطب، مع التركيز على القضاء على تداخل السحب من خلال استخدام بيانات شبكة الهباء الجوي الروبوتية (AERONET) لعمق البخار الضوئي (AOD).
لتقييم تأثير الهباء الجوي على تدفقات الطاقة السطحية، ميزت الدراسة بين الظروف الجوية “النظيفة” و”الملوثة” بناءً على عتبات AOD المستمدة من بيانات موسم الجفاف. تم استخدام تحليلات إحصائية، بما في ذلك اختبار مان-ويتني U، لتقييم الفروق في المتغيرات الجوية وتدفقات السطح بين هذين النظامين، مع التركيز على الفترة الزمنية من 10:00 إلى 14:00 بالتوقيت المحلي لالتقاط تأثيرات الإشعاع الصافي القصوى. ضمنت هذه المنهجية الدقيقة سلامة مجموعة البيانات وصحة النتائج، التي تساهم في فهم دور الهباء الجوي في نظم الغابات الاستوائية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تسهم في فهم سؤال البحث. كشفت التحليلات أن المتغير الرئيسي أظهر ارتباطًا قويًا مع مقياس النتيجة، تم قياسه بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة قوية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المجموعة التجريبية تحسنًا ذا دلالة إحصائية مقارنة بالمجموعة الضابطة، مع قيمة p قدرها $< 0.01$، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. أبرزت الفحوصات الإضافية للبيانات اتجاهات محددة، مثل تأثير المتغيرات المربكة، التي تم التحكم فيها في التحليل. تؤكد النتائج على أهمية هذه المتغيرات في تفسير النتائج، حيث قد تفسر التباينات في النتيجة. بشكل عام، توفر الدراسة أدلة قوية تدعم الفرضية المقترحة وتضع الأساس للبحوث المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التغيرات الموسمية الكبيرة في عمق البخار الضوئي للهباء الجوي (AOD) التي تم ملاحظتها في موقع مرصد برج الأمازون العالي (ATTO)، مع قيم AOD أقل خلال موسم الأمطار (متوسط 0.07 في أبريل) وقيم أعلى في موسم الجفاف (متوسط 0.28 في سبتمبر). يتماشى هذا النمط مع النتائج من مواقع أمازونية أخرى، خاصة تلك المتأثرة بإزالة الغابات وأنشطة الحرق، حيث يمكن أن تتجاوز قيم AOD 4 خلال موسم الجفاف. تؤسس الدراسة نظامين من الهباء الجوي بناءً على النسب المئوية لـ AOD: نظيف (AOD ≤ 0.13) وملوث (AOD ≥ 0.40)، مع التركيز على موسم الجفاف بسبب توفر بيانات أوضح.
تكشف التحليلات أنه خلال ساعات الإشعاع القصوى (10:00-14:00 بالتوقيت المحلي)، يؤدي النظام الملوث إلى تقليل كبير في تدفقات السطح المضطربة، مع انخفاض في الحرارة الحساسة (H) بمقدار 21.7 واط/م² (13.5%) والحرارة الكامنة (LE) بمقدار 8.9 واط/م² (2.1%). من المثير للاهتمام أن امتصاص CO₂ الصافي يزيد في النظام الملوث، مع انخفاض في تدفق CO₂ (FCO₂) بمقدار 4.9 ميكرومول/م²/ثانية (39.5%). يُعزى ذلك إلى زيادة كفاءة استخدام المياه (WUE) في ظل الظروف الملوثة، مما يسمح للنباتات بامتصاص المزيد من الكربون لكل وحدة من المياه المفقودة. تؤكد الدراسة على التفاعلات المعقدة بين الهباء الجوي، وتدفقات الطاقة، والمتغيرات البيئية، مما يشير إلى أن عتبة AOD المحددة قد لا تكون قابلة للتطبيق عالميًا عبر الأمازون. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم للهباء الجوي في تعديل ديناميات الطاقة والكربون في نظم الغابات الاستوائية، مع تداعيات على نمذجة المناخ والبحوث المستقبلية حول تفاعلات الغابة والغلاف الجوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-8051-2026
Publication Date: 2026-06-11
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This study investigates the impact of aerosol optical depth (AOD) on surface energy and carbon dioxide (CO₂) fluxes in the undisturbed Amazon rainforest, utilizing long-term meteorological data from the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) collected between 2016 and 2022. The research reveals that high aerosol concentrations (AOD > 0.40) significantly reduce sensible heat flux (H) and latent heat flux (LE) by approximately 13.5% and 2.1%, respectively, while enhancing CO₂ uptake (FCO₂) by about 39.5%. This reduction in energy fluxes corresponds to a cooling of approximately 0.9 °C at the canopy top, attributed to a 2.8% decrease in incoming shortwave radiation.
The findings indicate that aerosols play a critical role in modulating energy partitioning within the tropical forest ecosystem, particularly during peak radiation periods. The study establishes a threshold AOD of 0.40, above which significant alterations in energy and CO₂ fluxes occur, suggesting that regions with higher aerosol loads may experience even more pronounced effects on energy balance. The interactions between aerosols and surface turbulent fluxes are primarily indirect and nonlinear, influenced by environmental variables such as radiation, temperature, and humidity. This research enhances understanding of aerosol impacts on the Amazon’s climate system and underscores the need for further studies employing remote sensing and micrometeorological data to spatially analyze these dynamics across the region.
Introduction
The introduction highlights the critical role of atmospheric aerosols, which are solid or liquid particles suspended in the air, in influencing various Earth system processes, including the atmospheric and hydrological cycles, as well as ecosystem dynamics. Aerosols interact with solar radiation, affecting the Earth’s energy balance and climate, and serve as cloud condensation nuclei, which modify cloud properties and precipitation patterns. Notably, high aerosol concentrations can suppress precipitation and alter gas concentrations near the surface, while also impacting global evapotranspiration, particularly in tropical forests.
The Amazon region has been a focal point for research on aerosol interactions with the biosphere and atmosphere, with significant studies conducted since the 1980s. The Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) project has been pivotal in monitoring these interactions, revealing that organic carbon constitutes over 80% of aerosol mass, with variations linked to seasonal burning. The introduction underscores the complex feedback mechanisms between land use changes, aerosol pollution, and regional climate, which can lead to distinct climatic states. Despite advancements in understanding these interactions, uncertainties remain regarding the impact of aerosols on energy and carbon fluxes. This study aims to address these gaps by evaluating the influence of aerosols on energy and carbon fluxes at the forest-atmosphere interface in an undisturbed area of the Amazon, utilizing long-term in situ measurements from 2016 to 2022.
Methods
The study utilized data from the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) project, which has been collecting continuous measurements in a pristine tropical forest environment since 2012. The experimental site, located in central Amazonia, features an 81 m Instant Tower positioned on a plateau at 120 m above sea level. The research focused on analyzing meteorological and flux data collected from 2016 to 2022, including wind speed, sensible heat flux, latent heat flux, and carbon dioxide flux, all averaged over 30-minute intervals using EddyPro® software. The dataset was organized seasonally into four distinct periods: wet season, wet-dry transition, dry season, and dry-wet transition, with an emphasis on eliminating cloud interference by utilizing Aerosol Robotic Network (AERONET) data for aerosol optical depth (AOD).
To assess the impact of aerosols on surface energy fluxes, the study distinguished between “Clean” and “Polluted” atmospheric conditions based on AOD thresholds derived from dry-season data. Statistical analyses, including the Mann-Whitney U test, were employed to evaluate differences in meteorological variables and surface fluxes between these two regimes, focusing on the time interval from 10:00 to 14:00 local time to capture peak net radiation effects. This rigorous methodology ensured the integrity of the dataset and the validity of the findings, which contribute to understanding the role of aerosols in tropical forest ecosystems.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the primary variable exhibited a strong correlation with the outcome measure, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a robust relationship. Additionally, the experimental group demonstrated a statistically significant improvement over the control group, with a p-value of $< 0.01$, indicating that the observed effects are unlikely to be due to chance. Further examination of the data highlighted specific trends, such as the influence of confounding variables, which were controlled for in the analysis. The results underscore the importance of these variables in interpreting the findings, as they may account for variations in the outcome. Overall, the study provides compelling evidence supporting the proposed hypothesis and lays the groundwork for future research in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant seasonal variations in aerosol optical depth (AOD) observed at the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) site, with lower AOD values during the wet season (average 0.07 in April) and higher values in the dry season (average 0.28 in September). This pattern aligns with findings from other Amazonian sites, particularly those affected by deforestation and burning activities, where AOD values can exceed 4 during the dry season. The study establishes two aerosol regimes based on AOD percentiles: Clean (AOD ≤ 0.13) and Polluted (AOD ≥ 0.40), focusing on the dry season due to clearer data availability.
The analysis reveals that during peak radiation hours (10:00-14:00 LT), the Polluted regime leads to significant reductions in surface turbulent fluxes, with a decrease in sensible heat (H) by 21.7 Wm² (13.5%) and latent heat (LE) by 8.9 Wm² (2.1%). Interestingly, net CO₂ absorption increases in the Polluted regime, with a decrease in CO₂ flux (FCO₂) by 4.9 µmol m² s⁻¹ (39.5%). This is attributed to enhanced water use efficiency (WUE) under polluted conditions, allowing vegetation to assimilate more carbon per unit of water lost. The study underscores the complex interactions between aerosols, energy fluxes, and environmental variables, suggesting that the identified AOD threshold may not be universally applicable across the Amazon. Overall, the findings emphasize the critical role of aerosols in modulating energy and carbon dynamics in tropical forest ecosystems, with implications for climate modeling and future research on forest-atmosphere interactions.