Skjulte syre-base-klynger driver hurtig dannelse af atmosfæriske ultrafine partikler

Et fælles forskerhold ledet af Dr. Jingkun Jiang fra Tsinghua University og Dr. Markku Kulmala fra University of Helsinki har rapporteret om en effektiv mekanisme for gasformig svovlsyre og baser til at danne atmosfæriske ultrafine partikler. Resultaterne forklarer den hurtige dannelse af sekundære ultrafine partikler, som yderligere kan påvirke luftkvaliteten og klimaet.

Holdet fandt ud af, at syre-base-reaktioner er de vigtigste drivkræfter for gasformige forstadier til at overvinde overfladespænding og danne ultrafine partikler, og nøglemekanismen er dannelsen af ​​skjulte syre-base-heterodimerer. Denne skjulte mekanisme forklarer den høje partikeldannelseshastighed i kinesiske megabyer.

Deres resultater blev offentliggjort i National Science Review .

"Der er hundredtusindvis af ultrafine partikler i luften pr. kubikcentimeter i kinesiske megabyer, og en ny partikeldannelsesbegivenhed på en solrig middag kan nemt hæve deres koncentration med en størrelsesorden inden for flere timer," siger Jiang.

For at forklare, hvordan nye partikler så effektivt kan omdannes fra gasformige forstadier, er Jiang og Kulmala sammen med Dr. Runlong Cai fast besluttet på at søge nøglemekanismen for hurtig ny partikeldannelse. De har vidst, at svovlsyre er en primær forløber, hvorimod udfordringen er at finde nøglebaserne blandt mange kandidater. "Byluft er en kompleks cocktail af kemikalier med dårligt forståede interaktioner og feedback," kommenterede Kulmala.

Forskerne observerede meget rigelige molekylære klynger indeholdende svovlsyre under ny partikeldannelse i Beijing og Shanghai. Nogle af de målte klynger indeholder svovlsyre og aminmolekyler. Disse giver stærke beviser for amindeltagelse i dannelsen af ​​stabile svovlsyreklynger, hvilket øger omdannelseshastigheden fra gasformig svovlsyre til nye partikler.

"Det er spændende, at vi målte færre baser end syrer i en klynge. Der må være nogle nøgleoplysninger gemt bag de målte signaler," siger Cai. Det blev tidligere foreslået, at klynging mellem et basemolekyle og en svovlsyrehomodimer er nøglemekanismen for ny partikeldannelse, da der ikke var nogen basemolekyler i de målte klynger indeholdende et svovlsyremolekyle. Forskerholdet fandt dog ud af, at dette var en måleartefakt.

Ved at kombinere langsigtede målinger og teori baseret på kvantekemi og klyngekinetik fandt de ud af, at dannelsen af ​​skjulte syre-base heterodimerer er nøglemekanismen. Denne mekanisme er langt mere effektiv end den tidligere foreslåede mekanisme med syre-syre-homodimerer, hvilket sikrer hurtig dannelse af svovlsyreklynger og nye partikler.

De skjulte heterodimerer løser gåden om, hvorfor nye partikler ofte kunne dannes mod en høj baggrundspartikelbelastning i megabyer. De skjulte syre-base-heterodimerer med en betydelig andel i de målte svovlsyresignaler kan effektivt klynge sig sammen. Dette sikrer en høj partikeldannelseshastighed, der nærmer sig det teoretiske maksimum selv ved en lav omgivende aminkoncentration. De skjulte heterodimerer forklarer også temperaturafhængigheden af ​​ny partikeldannelse i Beijing og Shanghai. "Atmosfæriske målinger bliver ofte forstyrret af mange faktorer. Jeg havde ikke forventet en så fantastisk sammenhæng mellem målingerne og den nye teori," siger Cai.

Holdet søgte også de skjulte basemolekyler ved hjælp af termodynamiske og kinetiske analyser. Blandt de målte gasformige molekyler tjener stærke aminer såsom dimethylamin som nøglebaserne i syre-base-heterodimerer, hvorimod den meget rigelige ammoniak og andre svage baser er mere tilbøjelige til at være involveret i den efterfølgende klyngevækstproces. + Udforsk yderligere

Forskere observerer langsomt fotoelektronspektrum af svovlsyre i høj opløsning