Første gangs direkte bevis på kemiske reaktioner i partikler

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI har udviklet en ny metode til at analysere partikler mere præcist end nogensinde før. Brug den, de modbeviste en etableret doktrin:at molekyler i aerosoler ikke undergår yderligere kemiske transformationer, fordi de er indesluttet i andre suspenderede partikler. I smogkammeret på PSI, de analyserede kemiske forbindelser direkte i aerosoler og observerede, hvordan molekyler dissocierede og dermed frigav gasformig myresyre i atmosfæren. Disse fund vil bidrage til at forbedre forståelsen af ​​globale processer, der er involveret i skydannelse og luftforurening, og til at forfine de tilsvarende modeller. Resultaterne af denne undersøgelse offentliggøres i dag i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Den velkendte duft af en fyrreskov er forårsaget af α-pinene. Dette er en af ​​de flygtige organiske forbindelser i olier fra nåletræer, og det forekommer også i eukalyptus og rosmarin. Duften udløser behagelige følelser hos de fleste mennesker. Mindre behageligt er det, at under påvirkning af radikaler, forbindelsen ændres til andre forbindelser i atmosfæren, såkaldte stærkt oxiderede organiske molekyler. Nogle af disse er reaktive og til en vis grad skadelige stoffer. De er først for nylig blevet undersøgt af atmosfæriske forskere, og deres rolle i skydannelse er endnu ikke forstået.

Disse stærkt oxiderede organiske molekyler er mindre flygtige end udgangsstoffet α-pinen og kondenserer derfor let. Sammen med støvpartikler og andre faste og flydende stoffer i luften, de danner det, vi kalder partikler eller aerosoler.

"Indtil nu, man troede, at sådanne molekyler er beskyttet mod yderligere transformationer, når de først er landet i partikler, "siger Andre Prévôt fra Laboratory of Atmospheric Chemistry på PSI." Man troede, at de så ikke ville ændre sig mere, men ville simpelthen sprede sig ud over atmosfæren og til sidst regne. "

Denne udbredte mening svarer ikke til virkeligheden, imidlertid, som Prévôt og hans medforskere på PSI viste:"Reaktionerne fortsætter, selv i partiklerne. "Molekylerne forbliver reaktive og reagerer enten med hinanden for at danne større partikler eller skilles ad, derved frigive for eksempel myresyre. Denne almindelige forbindelse findes ikke kun i myrer og brændenælder, men også i atmosfæren, hvor det er en vigtig indikator for luftforurening.

PSI -forskernes observationer skal bidrage til at forbedre simuleringsmodeller, såsom dem til skydannelse og luftforurening. Modellerne simulerer, hvad der sker i atmosfæren for at forudsige, for eksempel, hvordan en reduktion i visse emissioner vil påvirke luftkvaliteten.

Fra aerosolen til måleudstyret

For første gang, PSI -forskere analyserede kemiske forbindelser direkte i partikler under atmosfæriske forhold. For det, de brugte PSI -smogkammeret, hvor processer i atmosfæren kan simuleres. Forskerne injicerede en dråbe α-pinen i kammeret og fik stoffet til at reagere med ozon. Over en periode på 15 timer, de observerede, hvilke kemiske forbindelser der dannedes af α-pinen, og som forsvandt igen bagefter.

Dette blev muliggjort af en ny analyseenhed til atmosfæriske målinger, som forskerne udviklede i samarbejde med virksomheden Tofwerk i Thun, Schweiz:et såkaldt EESI-TOF (ekstraktivt elektrosprayioniseringstid-for-flyvning massespektrometer). "Det registrerer også større molekyler direkte i aerosolen, "forklarer atmosfærisk kemiker Urs Baltensperger." Tidligere målemetoder, på den anden side, hugge molekylerne op i mindre fragmenter ved høje temperaturer. "Den nye enhed ioniserer uden fragmentering." Vi kan registrere hvert molekyle separat. "

Tofwerk har nu bragt enheden på markedet ved hjælp af PSI, så andre atmosfæriske forskere også kan få glæde af den nye metode.

Målinger i Zürich

Den nye analytiske metode kan ikke kun bruges i laboratoriet, men også direkte på stedet. I løbet af vinteren 2018/19 og sommeren 2019, PSI -forskere brugte det til at undersøge aerosoler i luften i Zürich. Som det viste sig, en god tredjedel af Zürichs partikler om sommeren består udelukkende af reaktionsprodukter af α-pinen og lignende molekyler. Om vinteren, imidlertid, emissioner fra træfyringssystemer og deres reaktionsprodukter kommer i højsædet.

Forskerne har planlagt yderligere målekampagner i Kina og Indien. Der vil de analysere, hvilke molekyler der dannes i luften i en by med mere end en million indbyggere.