생물학적 과정은 다양한 메커니즘을 통해 대기 조성과 기후에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 생물은 에어로졸과 구름 응결핵(CCN) 또는 빙핵입자(INP)를 생성하여 구름의 특성을 조절하는 증기를 방출하는데, 이는 지구 표면 복사 균형, 강수량, 그리고 날씨에 영향을 미칩니다. 따라서 생태계의 생물학적 변화는 기후에 영향을 미칠 수 있습니다.

대륙 지역의 식생은 휘발성 유기 증기를 방출하며, 이는 이후 2차 유기 에어로졸로 전환됩니다 .1 그러나 청정 해양 및 극지 환경에서는 에어로졸과 CCN 생성이 새로운 입자 형성(NPF)을 통해 해양 식물성 플랑크톤인 디메틸 설파이드(DMS)와 요오드 배출과 연관됩니다 .2

멀리 떨어진 남극해와 남극에서 NPF 사건의 강도는 기후와 상당한 관련이 있습니다. 이러한 원시 지역은 일반적으로 인위적인 활동이나 식생이 있는 지역에 비해 배경 입자 농도가 낮습니다. 우연히도 NPF의 화학적 메커니즘은 멀리 떨어진 지역과 극지방에서는 아직 파악하기 어렵지만 NPF는 전 세계적으로 대기 중 CCN의 50% 이상을 차지하는 것으로 추정되며 3 남극 대륙을 포함한 이러한 환경에서는 더 많을 가능성이 있습니다 4 . 에어로졸과 구름의 상호 작용, 특히 원시적이고 산업화 이전과 같은 환경에서 CCN의 출처와 농도는 기후 변화에 대한 이해의 큰 불확실성입니다 5 . 구름 밝기와 수명과 같은 기후 관련 구름 속성은 이러한 조건에서 CCN 농도에 매우 민감합니다 6 . 따라서 NPF 사건에 기여하는 가스와 입자 형성 속도를 높이는 능력은 이러한 위치에서 기후 반응을 이해하는 데 중요합니다.

극지방에서 DMS 유래 황산(H 2 SO 4 ) 에어로졸 형성을 직접 관찰한 결과, NPF 현상 동안 암모니아(NH 3 )가 황산 클러스터를 안정화시킨다는 사실이 밝혀졌습니다. 2 , 7 , 8. 바닷새는 외딴 지역에서 대기 암모니아의 알려진 공급원이며 , 9 , 10 , 11 , 12 펭귄/바닷새의 암모니아 배출이 에어로졸 형성과 구름 형성에 영향을 미친다는 증거가 연구에 의해 제시되었습니다. 2 , 7 , 8 , 13 , 14. 실험실 실험에서 암모니아가 황산으로 유도된 입자 형성을 수 배 증가시킬 수 있음이 밝혀졌지만 , 15 NPF의 메커니즘을 규명할 만큼 높은 감도와 시간 분해능을 갖춘 원격 주변 대기의 암모니아 농도 측정은 거의 없습니다.

요오드산(HIO 3 )은  봄과 가을에 북극의 해빙으로 덮인 지역에서 황산과 암모니아가 없는 경우 요오드산(HIO 2 ) 16 , 17 , 18 과 함께 NPF에 기여하는 것으로 나타났습니다 . 이러한 입자는 CCN 17 에 기여할 수 있지만 다른 관찰 결과에 따르면 기후와 관련된 CCN 크기로 성장하는 경우는 드뭅니다 . 최근 실험실 연구에서는 NPF가 먼 해양 및 극지방 환경에서 암모니아 없이 요오드 옥소산과 황산 사이에서 발생할 수 있으며 약 30 ~260ppt의 암모니아가 존재하면 에어로졸 핵형성 속도를 더욱 높일 수 있다고 제안했습니다 . 19 . 이들의 결론은 이러한 환경에서 얻은 제한된 주변 데이터를 기반으로 먼 극지방 대기에 참여할 수 있는 최대 수백 ppt의 암모니아가 있다고 가정합니다. 마찬가지로, 또 다른 연구 에서는 해빙으로 덮인 지역에서 유래된 황산과 아민이 남극 반도 주변의 입자 형성에 주요한 역할을 한다고 제시했습니다 .20 디메틸 아민(DMA, ( CH3 ) 2NH3 ) 과 같은 알킬아민은 황산과 함께 빠르게 핵을 형성하는 것으로 알려져 있으며 , 21,22 황산-암모니아 NPF보다 최대 10,000배 빠른 핵 형성 속도 를 보입니다. 이러한 불일치는 이 환경에서 NPF의 화학적 메커니즘이 여전히 제대로 규명되지 않았음을 보여주며, 암모니아와 아민 농도를 직접 측정하는 것이 핵심적인 지식 격차를 구성합니다.

일반적으로 암모니아는 대기 측정에서 가장 과소평가되는 기체 중 하나이며, 특히 고감도 온라인 측정과 주변 암모니아 농도가 낮은 것으로 추정되는(즉, 100ppt 미만) 원격 지역에서는 더욱 그렇습니다. 그러나 암모니아 측정 없이는 기후 관련 에어로졸 형성 과정에 대한 이해를 제한하는 중요한 관측치를 놓치게 됩니다. 데이터 부족은 원격 및 극지방 환경에서 새로운 입자 형성(NPF)을 제한하는 능력에서 특히 두드러집니다.

현재 남극 생태계는 스트레스를 받고 있습니다. 이 지역은 온난화로 인해 급격한 변화를 겪고 있습니다. 지난 10년 동안 해빙 범위가 감소하기 시작했고 23 빙붕이 줄어들고 있습니다 24 . 이러한 변화는 남극해의 생물학과 25 펭귄 및 바닷새 군집에 영향을 미치며, 이는 생태계-대기 교환의 변화를 초래하고 궁극적으로 해당 지역의 기후를 변화시켜 지구 기후에 영향을 미칩니다. 일부 펭귄 종은 이미 환경 변화로 인해 위협을 받고 있습니다 26 . 따라서 특히 현재 남극 연안과 남극해의 환경 조건이 빠르게 변화하고 있으므로 기후 관련 과정에 기여하는 생태계-대기 상호 작용을 이해하는 것이 필수적입니다.

본 연구에서는 남극 반도에서 발생하는 NPF 현상의 화학적 메커니즘을 분석합니다. 고감도의 주변 암모니아 농도 온라인 측정과 가스 및 입자의 포괄적인 측정을 통해 NPF와 구름 형성을 연결하는 에어로졸 과정을 규명합니다. 펭귄이 남극 연안 해양 식물플랑크톤에서 유래한 황산과 함께 NPF를 증가시키는 암모니아의 주요 공급원임을 보여주며, 외해에서 유입되는 암모니아는 미미한 수준입니다. 새롭게 형성된 입자들이 성장하여 구름응결핵(CCN) 농도와 구름/안개 형성에 기여할 수 있다는 증거를 제시합니다. 이는 펭귄/바닷새가 입자 형성에 중요한 역할을 하며, 서식지 변화에 따른 중요한 기후 피드백 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

본 연구는 남극 반도 마람비오 기지에서 에어로졸 전구체 증기 농도, 암모니아 혼합 비율, 대전된 핵 클러스터의 화학적 특성, 에어로졸 입자 수 농도 및 크기 분포, 에어로졸 화학적 조성, 구름응결핵(CCN) 농도, 그리고 현장 구름 물방울 분포를 측정하여(그림  1A, B ) 기체, 입자, 구름 간의 연관성을 규명했습니다. 측정 결과, 그림 1  과 보충 그림  1 에서 볼 수 있듯이 인근 펭귄 서식지 방향에서 바람이 불 때 최대 13.5 ppb의 암모니아 혼합 비율을  관찰했습니다 . 반면, 다른 방향(바다를 포함한)에서는 암모니아 혼합 비율이 낮았습니다. 마람비오 역의 국지 오염 영향(발생률 19.4%)을 제외하면 측정된 암모니아 혼합 비율의 42.8%가 검출 한계(10.5±26.8ppt) 이하였고, 36.2%가 10.5~40ppt, 9.8%가 40~100ppt, 11.2%가 100ppt 이상이었습니다(그림  1D ).

그림 1: 남극 마람비오 기지의 암모니아 공급원.

A  마람비오 기지 건물 및 시설에 대한 측정 용기의 위치를 ​​보여주는 지도.  B  시모어 섬의 암모니아 관련 관심 지점을 보여주는 지도.  C  풍향과 풍속에 따른 암모니아 혼합 비율을 0.01~1 ppb로 보여주는 풍향계. 혼합 비율 축은 낮은 혼합 비율 범위에서 더 자세한 정보를 보여주기 위해 최대 1 ppb까지 확대되어 있습니다.  D  관측된 NH3 혼합 비율의 빈도.

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특히, 근처 식민지의 펭귄은 연례 이동의 일환으로 우리의 측정 캠페인 중간에 번식지를 떠났습니다. 펭귄이 떠난 후 한 달 이상 암모니아 농도는 유리한 바람 방향에서 1 ppb를 초과하여 높은 수준을 유지했습니다(보충 그림  2 ). 따라서 펭귄 구아노 "비료" 토양, 즉 조류 발생 토양 27 은 펭귄이 번식지를 떠난 후에도 오랫동안 강력한 암모니아 공급원이었습니다. 지금까지 이 과정은 주로 실험실 측정 28 , 모델 10 , 12 , 29 또는 오프라인 방법 30 으로만 평가되었습니다. 우리의 데이터는 여름철 농경지 31 , 32 와 비슷한 규모의 암모니아 농도를 생성할 수 있는 남극 해안 주변의 지역적 핫스팟이 있음을 보여줍니다  . 이러한 핫스팟은 이전 연구와 일치하여 펭귄/조류 번식지/식민지의 위치와 일치합니다. 펭귄/바다새 군집의 공간적 분포로 인해 이러한 핫스팟은 남극 해안의 넓은 범위를 차지할 수 있습니다 . 33 , 34

우리의 결과는 암모니아가 황산과 NPF를 시작하기에 충분한 혼합 비율로 남극 환경에 존재한다는 것을 보여줍니다. 사실, 우리는 바람이 지역 펭귄 군집의 방향/바람 부문에서 불 때 거의 독점적으로 NPF를 관찰했고, 이로 인해 암모니아 혼합 비율이 증가했습니다. 이러한 NPF 이벤트 동안 입자 형성 속도(J 1.7 )는 주로 황산 농도에 따라 달라졌지만 에어로졸 전구체 증기에 대한 우리의 관찰, 대기 클러스터의 화학적 구성 및 암모니아의 온라인 측정은 암모니아 혼합 비율이 ~100ppt를 초과할 때 암모니아의 명확한 참여와 입자 형성 속도의 향상을 보여줍니다(그림  2 ). 우리는 암모니아 혼합 비율이 ~100ppt 이상으로 증가함에 따라 지속적인 향상을 균일하게 관찰하지 못했는데, 이는 황산-암모니아 클러스터링 연구에서 실험실에서 도출한 암모니아 포화 추정치와 유사하게 암모니아에 대한 입자 형성이 이 수준에서 포화되기 시작한다는 것을 나타냅니다 15 , 35 .