Jagten på den forsvundne drivhusgas
Lattergas er en af de kraftigste af klodens drivhusgasser, og gassen ødelægger tilmed ozonlaget. Drivhusgassen bliver for en stor dels vedkommende produceret i havet, men nogle steder på Jorden mangler det i overfladevandet. Nu vil forskere opklare mysteriet.
Af Kristian Sjøgren
Når snakken falder på klimaforandringer og drivhusgasser, er det svært at komme udenom CO2. Klimaforkæmpere, politikere, miljøorganisationer, forskere og firmaer taler alle sammen om CO2-udledning, CO2-kvoter, CO2-niveauer i atmosfæren, CO2-regulering, CO2-det-ene-og-det-andet.
I alt den snak om CO2 bliver det nogle gange overset, at der faktisk også findes andre drivhusgasser, som måske ikke er lige så betydningsfulde i aftrykket på den globale opvarmning som CO2, men som alligevel ikke må ignoreres – især ikke hvis vi vil have et fuldstændigt overblik over, hvordan fremtiden kommer til at se ud med hensyn til klimaet og de afledte effekter af global opvarmning.
En af disse drivhusgasser, som vi ikke må glemme, er dinitrogenoxid (N2O), der også går under betegnelsen lattergas. N2O er ikke bare en drivhusgas på niveau med CO2, men faktisk en meget mere potent en af slagsen. Når det kommer til kapaciteten for at agere global opvarmer, er N2O 300 gange stærkere som drivhusgas end CO2. Samtidig nedbryder lattergas også ozonlaget med alle de negative effekter, som det har på både risikoen for udvikling af kræft og svækket immunforsvar hos mennesker samt destruering af afgrøder og det marine økosystem. Nej, når vi taler om global opvarmning, må vi ikke fokusere så meget på CO2, at vi glemmer N2O.
En af de forskere, der er med til at sikre, at N2O er på dagsordenen, når eksempelvis klimamodeller skal udvikles, eller når der skal træffes beslutninger og laves fremskrivningsmodeller i regi af FN’s klimapanel IPCC, er lektor Carolin Löscher fra Danish Institute for Advanced Study ved Syddansk Universitet.
Carolin Löscher har allerede gjort flere uhyggeligt interessante opdagelser vedrørende den globale produktion af N2O, og hun har for nyligt modtaget en stor forskningsbevilling fra Danmarks Frie Forskningsfond til at finde ud af, hvilken rolle havet og forskellige biologiske processer i havet har for det globale N2O-regnskab og dermed den planet og det klima, som vores generation efterlader til generationerne efter os.
»Min interesse inden for feltet er, at jeg bekymrer mig om havet, og en tredjedel af verdens N2O bliver produceret i netop havet. Der er et stort behov for at forstå, hvordan N2O bliver produceret i havet og i hvilke mængder, og hvordan det også bliver optaget af havet fra atmosfæren. Denne viden er vigtig at inkludere i de klimamodeller, som skal forudsige, hvordan verden kommer til at se ud i fremtiden,« fortæller Carolin Löscher.
Skematisk illustration af de to kendte reaktionsveje, der producerer N2O. Nitrifikation er en oxidation fra ammonium (NH4+) til nitrit (NO2-) og derefter til nitrat (NO3-). Det kan kun ske ved tilstedeværelsen af oxygen, og N2O er et biprodukt i denne proces. Denitrifikation er en reduktion af nitrat til nitrit, nitrogenoxid (NO), N2O og endelig til N2-gas. I denne proces kan N2O enten blive produceret eller forbrugt. Denitrifikation kan dog kun ske, hvis der ikke er oxygen til stede, og derfor forventer man ikke, at denne proces vil kunne forbruge N2O i overfladevandet i oceanerne.
Et produkt af biokemiske processer
Carolin Löscher er særligt interesseret i at forstå de processer, hvormed bakterier og arkæer producerer N2O. Begge former for mikrober kan ad forskellige veje danne N2O, som bliver frigivet til omgivelserne, og hvis de omgivelser er havoverfladen, bliver drivhusgassen frigivet der.
De to mest relevante processer hedder henholdsvis nitrifikation og denitrifikation.
- Ved nitrifikation oxideres ammonium og ammoniak via iltning til nitrit (NO2-), som efterfølgende bliver oxideret ved yderligere iltning til nitrat (NO3-). Disse to processer foregår ofte i to forskellige organismer, og et biprodukt af nitrifikationen er N2O.
- Ved denitrifikation foregår hele processen omvendt, og nitrat bliver reduceret til nitrit og til sidst til nitrogen. Et produkt i denne proces er ligeledes N2O.
»Det interessante er, at to processer kan danne N2O og sende det ud i atmosfæren, men faktisk kan bakterier og arkæer gennem denitrifikation og afhængigt af ligevægtsforholdet også trække N2O ud af atmosfæren igen,« forklarer Carolin Löscher.
Carolin Löschers tidligere forskning har blandt andet identificeret en produktionsvej af N2O i arkæer i havet.
Her er koncentrationen af N2O i havoverfladen overraskende lav
Forskere har i mange år vidst, at der forskellige steder på Jorden er mindre N2O i havets overfladevand, end der burde være. Indtil nu har årsagen været ukendt, men forskere er begyndt at interessere sig mere og mere for emnet, i takt med at det i stigende grad står lysende klart, at udvekslingen af N2O mellem havet og atmosfæren i disse områder kan have betydning for den globale opvarmning og de klimamodeller, som skal forudsige, hvordan verden ser ud i morgen og om 100 år.
Mange mennesker er formentlig ikke bevidste om den betydning, som N2O har for klimaet, og det skal retfærdigvis sige, at FN’s internationale klimapanel IPCC heller ikke er haft meget fokus på drivhusgassen før i tiden. Det er dog ændret på det seneste, hvor N2O er gået fra ikke at være tillagt større betydning i det store klimaregnskab til i dag at være anerkendt som en meget vigtig faktor. Det gør forskning i effekterne af og på koncentrationen af N2O i atmosfæren, såvel som i havet, vigtigere, end det nogensinde har været før.
Havets N2O er ikke i balance
Netop når det handler om havet, giver et faktum i produktionen af N2O i havoverfladen forskere og klimamodeludviklere hovedpine. Kigger man på et verdenskort over forekomsten af N2O i havoverfladen, er drivhusgassen forholdsvist ligeligt fordelt ud over kloden, bortset fra nogle specifikke steder, hvor der er mindre N2O i havoverfladen, end man skulle forvente. Det bliver meget simpelt fjernet fra havet via mekanismer, som forskere ikke har styr på.
Disse områder med N2O-underskud er blandt andet det Arktiske hav, den sydlige del af Østersøen og midten af Atlanterhavet. Når forskere tager prøver fra havoverfladen i disse områder, er der simpelthen ikke den mængde N2O, som forskerne forventer. Det giver ingen mening, og forskerne har ikke en god forklaring på fænomenet.
Samtidig er det utroligt vigtigt at få styr på, hvor verdens mest potente drivhusgas forsvinder hen, når den ikke er der, hvor den burde være, og hvilken betydning det potentielt kan have for global opvarmning og de modeller, som man bruger til at regne på den. Når der er mindre N2O i overfladevandet, vil ligevægten mellem havet og atmosfæren uundgåeligt trække N2O ud af luften og dermed have en effekt på drivhusgassens koncentration i atmosfæren og den tilhørende effekt på det globale klima.
Carolin Löscher forklarer, at mysteriet har fået hende og hendes kollegaer til at klø sig i hovedbunden.
»Kun én proces er kendt for at kunne fjerne N2O, og det er denitrifikation, men den er ikke umiddelbart relevant at tale om i forbindelse med de lavere niveauer af N2O i havoverfladen rundt om på Jorden. Denitrifikation foregår nemlig kun i mangel på ilt, og ilt er der rigeligt af i havoverfladen, uanset hvor på planeten man kigger hen,« siger hun.
Forskeren forklarer, at der kan være forskellige forklaringer på, at koncentrationen af N2O er reduceret i overfladen af havet forskellige steder på Jorden.
»Enten skyldes det, at vi ikke forstår denitrifikation korrekt, eller at en anden proces, som vi ikke kender til endnu, er på spil,« siger Carolin Löscher.
Formentlig er en biologisk proces på spil
I sin forskning prøver Carolin Löscher at identificere den mystiske faktor, der leder til lavere koncentrationer af N2O i havoverfladen forskellige steder på Jorden.
Hun fortæller, at havoverfladens koncentration af N2O burde være i ligevægt med både vandet under havoverfladen og atmosfæren, men at den ikke er det, hvilket tyder på, at N2O på en eller anden måde bliver fjernet.
Man kunne måske forestille sig, at UV-stråling spillede ind i fjernelsen af N2O fra havoverfladevandet, men det ville ikke give det patchwork-mønster, som forskerne har identificeret. Hvis UV-stråling fjernede N2O fra havoverfladen, ville det ske over hele kloden og ikke kun hist og her.
»Det får os til at konkludere, at patchwork-mønsteret formentlig er resultatet af biologiske processer. Før vi kan forstå dem, er det dog vigtigt at finde ud af, hvordan vi kan kvantificere tabet af N2O, samtidig med at vi skal udvikle målemetoder til at finde ud af, hvad der sker, når N2O forsvinder. Det er den eneste måde at forstå ubalancen i den ligevægt, som burde finde sted i havoverfladen,« forklarer Carolin Löscher.
Mærket N2O er en sladrehank
I forskningsarbejdet indsamler Carolin Löscher med sine kollegaer overfladevand fra de forskellige zoner, hvor koncentrationen af N2O i havet er lavere end forventet. Prøverne tager de hver måned for at følge, hvordan koncentrationen af N2O ændrer sig over tid afhængigt af måneden og forekomsten af givne mikrober i overfladevandet. Ændrer koncentrationen af N2O sig i takt med koncentration af givne mikrober, kan det være en indikation på, hvem eller hvad der er ansvarlig for at tage N2O ud af havvandet.
Fra målestationen i den sydlige af Østersøen har forskerne faktisk prøver fra de seneste 50 år, hvilket giver dem en unik mulighed for at studere fænomenet over lange perioder.
Med prøverne i hånden og i laboratoriet skal forskerne undersøge de potentielt set relevante bakterier til bunds for at finde ud af, om og hvordan de fjerner N2O fra omgivelserne. Forskerne gør meget simpelt det, at de tilføjer isotoper af N2O til det vand, som mikroberne lever i. Herefter kan forskerne følge, hvor de mærkede molekyler ender henne. Ender de i mikrobernes celler eller i nitrit eller nitrat, fortæller det forskerne noget om de potentielle metaboliske veje, hvormed drivhusgassen bliver omdannet til det ene eller andet:
Ender det mærkede nitrogen i gas i form af N2, tyder det på, at denitrifikation er på spil, mens inkorporering af det radioaktivt ladede nitrogen i cellerne peger på helt nye processer for omdannelsen af N2O til noget andet. Ender det mærkede nitrogen i nitrat, peger det på, at nitrifikation er på færde.
»Ud fra dette kan vi identificere, om der er tale om denitrifikation, selv ved tilstedeværelsen af ilt, om der er tale om fjernelse af N2O gennem nitrifikation via en proces, som vi ikke kender til, eller om der er tale om en helt anden biologisk reaktion, som vi endnu ikke har forstået,« fortæller Carolin Löscher.
DNA-analyser gør forskere klogere på mikroberne
Ydermere vil forskerne også forstå, hvorfor mikroberne gør, som de gør, og hvad det har af betydning for dem og deres omgivelser.
En del af det forskningsarbejde går derfor ud på at sekventere arvematerialet i de relevante mikrober for at afdække, hvilke type organismer der er tale om, og hvad de rummer af biologi. Det vil give forskerne et indblik i ikke bare, hvordan mikroberne trækker N2O ud af havoverfladen, men også hvorfor de gør det.
Carolin Löscher forventer, at hun med forskningen vil være i stand til at etablere en forståelse for et link mellem mikrober i havet og udvekslingen af N2O mellem havet og atmosfæren. Denne viden vil være kritisk i forhold til at kunne lave korrekte forudsigelser vedrørende fremtidens klima. Det vil formentlig også involvere beskrivelsen af en del af den globale kvælstofbalance, som ingen førhen har haft kendskab til.
»Finder vi de relevante mikrober og biokemiske reaktioner for omdannelsen af N2O, vil det ændre på nogle paradigmer i vores forståelse af, hvad der sker i havoverfladen, og hvordan det påvirker klimaet,« siger Carolin Löscher.
Opsigtsvækkende fund
Faktisk er det sådan, at Carolin Löscher med sine kollegaer allerede er kommet frem til de første erkendelser, som de dog af hensyn til fremtidig publicering endnu ikke kan løfte sløret for detaljerne i. Hun vil dog gerne fortælle, at resultaterne peger i retning af, at mere end én proces er involveret i fjernelsen af N2O fra overfladevandet rundt om på Jorden. Faktisk ser det ud til, at både denitrifikation og inkorporering af nitrogen i mikrober spiller en rolle.
Hun forklarer dog også, at det indtil videre kun er indikationer, og at forskerne nu er ved at kvantificere fundet for at finde ud af, hvilken proces der spiller den vigtigste rolle.
»Og så har vi indtil videre kun identificeret det i Østersøen, hvorfra det meste af vores data indtil videre kommer fra. Derfor er vi også meget interesserede i at finde ud af, om de samme mikrober spiller en rolle i omdannelsen af N2O i andre have, eller om andre mekanismer er på spil. Vi er kommet langt, siden projektet startede i januar,« siger Carolin Löscher. ♦
Havet og klimaet
Verdens have og oceaner er drivkraften i det globale klima og svinger dermed også taktstokken i de klimaforandringer, som foregår lige nu og her. Verdens have dækker 70 % af Jordens overflade og udgør på den måde et gigantisk areal, der konstant udveksler varme, fugt, kulstof og nitrogen med atmosfæren, hvilket er med til at drive de langsomme, men alligevel ustoppelige, forandringer i klimaet på månedsbais, årsbasis og over årtusinderne. Disse faktorer har ikke bare betydning for, om det er varmt i dag eller i morgen, eller om sommeren kommer lidt tidligere på året. De har betydning for alt og alle, der lever på planeten.
Havenes indflydelse på klimaet sker blandt andet gennem optag af solstråling og frigivelse af varme, som er med til at drive den atmosfæriske cirkulation. Optag af solstråling og omdannelsen af strålingen til varme er med til at sikre, at havet kan frigive varme til Jorden året rundt, så der ikke er så glohedt eller iskoldt på tidspunkter af året, at intet kan leve her. Havene er på den måde klodens termostat. Havene frigiver også aerosoler til atmosfæren, hvilket er med til at danne fundamentet for skydannelse, ligesom vanddamp fra havene på et senere tidspunkt falder over land som regn. Havene optager også enorme mængder CO2 fra atmosfæren og gemmer det væk i vandmasserne i millioner af år.
Havenes indflydelse på det globale klima sker gennem både fysiske, kemiske og biologiske processer. Derudover har de fysiske, kemiske og biologiske processer indflydelse på hinanden og danner samlet set et komplekst system af afhængighed, som mennesket med afbrændingen af fossile brændstoffer er ved at disrupte. Det er som at spille Klodsmajor med klimaet, når vi bringer de biologiske eller kemiske processer ud af balance ved at ændre på den atmosfæriske koncentration af CO2. Det vil alt andet lige have indflydelse på de biologiske, kemiske og fysiske processer i havet, der som tidligere fortalt har betydning for alt og alle på Jorden.
Om forfatteren
Af Kristian Sjøgren, videnskabsjournalist, ksjoegren@gmail.com
Se artiklen Jagten på den forsvundne drivhusgas som pdf
Om forskeren
Carolin Löscher er lektor i oceanisk biogeokemi ved Danish Institute for Advanced Study på Syddansk Universitet. Hun er oprindeligt uddannet fra University of Kiel, hvorfra hun fik sin ph.d. i biologi og havforskning. Efterfølgende har hun arbejdet i flere år ved Helmholtz Center for Ocean Research- GEOMAR, hvor hun studerede havets nitrogen- og kulstofcyklusser ved hjælpe af molekylære-, biogeokemiske- og modelbaserede værktøjer, ligesom hun var involveret i flere forskningsekspeditioner.
Carolin Löschers forskningsinteresser er centreret omkring forståelsen af, hvordan mikrober påvirker faktorer med indflydelse på klimaet, og hvordan klimaet har indflydelse på selvsamme mikrober. Tanken er den, at hvis klimaet ændrer sig, vil det ikke bare gå ud over fiskene og pattedyrene i havet, men også mikroberne, hvilket kan få alvorlige konsekvenser for deres bidrag til at opretholde den globale kulstof- og nitrogenbalance.
Carolin Löschers har gennem årene modtager flere priser for sin forskning. Hun er gift og lever med sine to døtre i Odense.
Artiklen er sponsoreret af Danmarks Frie Forskningsfond | Natur og Univers. Danmarks Frie Forskningsfond dækker alle videnskabelige hovedområder og uddeler hvert år godt 1 mia. kr. til forskningsprojekter baseret på forskernes egne ideer. Danmarks Frie Forskningsfond består af 84 anerkendte forskere udpeget på baggrund af deres høje faglige kompetence. Formand for Danmarks Frie Forskningsfond | Natur og Univers er professor ved Københavns Universitet, Henrik Grum Kjærgaard. Læs mere på www.dff.dk
Videre læsning
Freing, A. et al (2012): Global oceanic production of nitrous oxide, Phil. Trans. R. Soc. B 367, 1245–1255, doi:10.1098/rstb.2011.0360.
Intropakke
Tilbud til nye abonnenter:
Bestil en intropakke med otte helt nye numre plus abonnement i et år (6 numre) for kun 354,- kr. inkl. porto & ekspedition. Bestil via: abonnementssiden.