Lysamplifikation accelererer kemiske reaktioner i aerosoler

Aerosoler i atmosfæren reagerer på indfaldende sollys. Dette lys forstærkes i det indre af aerosoldråberne og partiklerne, hvilket accelererer reaktioner. ETH-forskere har nu været i stand til at påvise og kvantificere denne effekt og anbefale at inddrage den i fremtidige klimamodeller.

Væskedråber og meget fine partikler kan fange lys - svarende til hvordan lys kan fanges mellem to spejle. Som et resultat forstærkes intensiteten af ​​lyset inde i dem. Dette sker også i meget fine vanddråber og faste partikler i vores atmosfære, altså aerosoler. Ved hjælp af moderne røntgenmikroskopi har kemikere ved ETH Zürich og Paul Scherrer Instituttet (PSI) undersøgt, hvordan lysforstærkning påvirker fotokemiske processer, der finder sted i aerosoler. De var i stand til at påvise, at lysforstærkning får disse kemiske processer til at være to til tre gange hurtigere i gennemsnit, end de ville være uden denne effekt.

Ved hjælp af den schweiziske lyskilde ved PSI undersøgte forskerne aerosoler bestående af bittesmå partikler af jern(III)citrat. Udsættelse for lys reducerer denne forbindelse til jern(II)citrat. Røntgenmikroskopi gør det muligt at skelne områder inde i aerosolpartiklerne bestående af jern(III)citrat fra dem, der består af jern(II)citrat ned til en præcision på 25 nanometer. På denne måde var forskerne i stand til at observere og kortlægge i høj opløsning den tidsmæssige sekvens af denne fotokemiske reaktion i individuelle aerosolpartikler.

Forfald ved eksponering for lys

"For os var jern(III)citrat en repræsentativ forbindelse, som var let at studere med vores metode," siger Pablo Corral Arroyo, en postdoc i gruppen ledet af ETH-professor Ruth Signorell og hovedforfatter af undersøgelsen. Jern(III)citrat står for en lang række andre kemiske forbindelser, der kan forekomme i atmosfærens aerosoler. Mange organiske og uorganiske forbindelser er lysfølsomme, og når de udsættes for lys, kan de nedbrydes til mindre molekyler, som kan være gasformige og derfor undslippe. "Aerosolpartiklerne mister masse på denne måde og ændrer deres egenskaber," forklarer Signorell. De spreder blandt andet sollys forskelligt, hvilket påvirker vejr- og klimafænomener. Derudover ændres deres egenskaber som kondensationskerner i skydannelse.

Som sådan har resultaterne også en effekt på klimaforskningen. "Nuværende computermodeller af global atmosfærisk kemi tager endnu ikke højde for denne lysforstærkningseffekt," siger ETH-professor Signorell. Forskerne foreslår at inkorporere effekten i disse modeller i fremtiden.

Uensartede reaktionstider i partiklerne

Nu præcist kortlagt og kvantificeret, kommer lysforstærkningen i partiklerne gennem resonanseffekter. Lysintensiteten er størst på siden af ​​partiklen modsat den, lyset skinner på. "I dette hotspot er fotokemiske reaktioner op til ti gange hurtigere, end de ville være uden resonanseffekten," siger Corral Arroyo. I gennemsnit over hele partiklen giver dette en acceleration med ovennævnte faktor på to til tre. Fotokemiske reaktioner i atmosfæren varer normalt flere timer eller endda dage.

Ved hjælp af dataene fra deres eksperiment var forskerne i stand til at skabe en computermodel til at estimere effekten på en række andre fotokemiske reaktioner af typiske aerosoler i atmosfæren. Det viste sig, at effekten ikke kun vedrører jern(III)citratpartikler, men alle aerosoler – partikler eller dråber – lavet af forbindelser, der kan reagere med lys. Og disse reaktioner er også to til tre gange hurtigere i gennemsnit.

Forskningen blev offentliggjort i Science . + Udforsk yderligere

Faste aerosoler fundet i arktisk atmosfære kan påvirke skydannelse og klima