Opdagelsen afdækker behovet for ammoniakudledningsforskrifter

En opdagelse af tidligere Carnegie Mellon Ph.D. studerende, Mingyi Wang, der leder et stort samarbejdende team, kaster lys over en måde, hvorpå nye partikler dannes i den øvre troposfære. Undersøgelsen, offentliggjort i Nature , afslører en uventet flygtig reaktion mellem salpetersyre, svovlsyre og ammoniak, der synergistisk skaber nye partikler med en hurtig hastighed. Resultaterne tyder på, at der ud over kuldioxid er andre forbindelser, der har brug for opmærksomhed og regulering.

Tilstedeværelsen af ​​ammoniak blev først opdaget i den øvre troposfære i 2016 ved hjælp af analysen af ​​gennemsnitlige MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) infrarøde lemmemissionsspektre. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), University of Colorado Boulder og Universidad Nacional Autónoma de México udførte en "CT-scanning" af atmosfæren, bevægede sig langs breddegrader og længdegrader, og målte partikelkoncentrationer og sammensætninger i den øvre troposfære.

Ammoniak stammer primært fra landbrug og køretøjer i fortættede bymiljøer. Da videnskabsmænd opdagede forbindelsen i den øvre troposfære, blev de overrasket over, hvor langt den var rejst ind i atmosfæren, hvilket rejste spørgsmål om, hvordan den transporteres dertil, og dens effekt på partikelmasse og skabelse.

Efter at have lært om det tidligere studie, Wang, en ph.d. studerende i Carnegie Mellons Institut for Kemi, blev interesseret i reaktionen mellem ammoniak, salpetersyre og svovlsyre i atmosfæren. I en undersøgelse fra 2020, også publiceret i Nature, opdagede Wang, at under kolde forhold, som vinterklimaet i Beijing, bidrager blandingen af ​​disse tre midler og kondenserer til nanometerpartikler, hvilket øger deres masse hurtigt.

Med dette fund blev Wang nysgerrig efter, hvordan denne reaktion ville se ud i endnu koldere, mere ekstreme områder, så han begyndte at designe et eksperiment for at teste det under øvre troposfære-lignende forhold.

"Der er et meget begrænset antal instrumenter til rådighed til at identificere de processer, der skaber partikler i den øvre troposfære," sagde Wang. "Vi må stole på laboratorieeksperimenter for at forstå, hvad der kan ske under disse forhold."

For at analysere dette tog Wang til Schweiz som medlem af CLOUD-samarbejdet for at teste sit eksperiment på European Council for Research Nuclear (CERN). Ved hjælp af deres kammerfaciliteter skabte Wang præcist kontrollerede atmosfæriske forhold og observerede reaktioner i realtid. Da det blev tid til at tilføje ammoniak til kammeret, forventede Wang at se blandingen af ​​syrer og base kondensere på eksisterende partikler og øge deres masse, som han tidligere havde opdaget. Men til sin overraskelse så han en byge af nye partikler dannes hurtigt.

"Det, vi fandt, er, at salpetersyren og ammoniak er modtagelige for temperaturændringer. Når temperaturen bliver koldere, kan de faktisk gå gennem gas-til-partikel-omdannelsesprocessen, hvilket skaber nye partikler og øger den samlede partikelantalkoncentration," sagde Wang.

"Dette er vigtigt, især i den relativt rene øvre troposfære. Emissionskilderne er begrænsede deroppe. Der er ingen fabrikker eller gårde, og fly menes at udgøre de fleste forurenende stoffer i dette område. Eventuelle forurenende stoffer i den øvre troposfære vil spiller en meget anden rolle, end de gør i grænselaget (den laveste del af troposfæren, direkte påvirket af tilstedeværelsen af ​​jordens overflade). Temperaturen og samspillet mellem arter i hver af dem er også meget forskellige."

I samarbejde med en række verdenskendte klimaforskere, herunder Carnegie Mellon Engineering Assistant Research Professor Hamish Gordon, udførte Wang og hans medforskere globale modelleringssimuleringer, der demonstrerede, hvordan ammoniak transporteres til den øvre troposfære og senere spredes.

Derudover har CMU Chemical Engineering Ph.D. studerende og medforfatter Brandon Lopez fandt ud af, at selv en lille mængde svovlsyre kunne forvandle partikler til formidable iskerner.

Gruppen afslørede, at ammoniakken ledes opad under begivenheder som den asiatiske monsun. Da ammoniak er meget opløseligt, begynder det at opløses i skydråber, når det passerer gennem skyer. Disse dråber fryser derefter, bliver til iskrystaller, genudsender dele af ammoniak til atmosfæren og producerer partikler, der kan spredes over den nordlige halvkugle på midten af ​​breddegraden.

"Dette fund får os til at stille spørgsmålstegn ved, om andre arter, såsom organiske forbindelser, også kan transporteres til den øvre troposfære gennem denne proces," sagde Wang.

Wangs rådgiver, medforfatter og klimaforsker i verdensklasse, Neil Donahue, forklarede vigtigheden af ​​at forstå den mulige række af forbindelser, der kan konvektioneres, og deres potentielle indvirkning.

"Al den videnskabelige usikkerhed omkring klimaændringer relaterer sig til skyer på den ene eller anden måde," sagde Donahue, en Thomas Lord-professor i afdelingerne for kemi, kemiteknik og teknik og offentlig politik ved Carnegie Mellon. "For at lave skyer skal du bruge vand til at danne kerne eller fryse."

"I forurenede dele af atmosfæren tættere på jorden, som f.eks. over store byer, er de midler og partikler, der fungerer som skykerner (frø), rigelige, men de er ret sjældne i de store områder af den øvre atmosfære. Naturen af skyer kan ændre sig meget afhængigt af typen og mængden af ​​partikler, der er til stede, så hvis disse partikler danner og ændrer skysammensætningen i den øvre atmosfære, kan det påvirke klimaet betydeligt."

Reduktion af kuldioxid (CO₂ ) emissioner er fortsat et stort fokus for klimaforskere og lovgivere. Mens Wang siger at reducere CO₂ ved at mindske forbrændingen af ​​fossile brændstoffer vil hjælpe med at sænke flere andre forurenende stoffer, mener han, at det er bydende nødvendigt at begynde at udvikle regler, der fokuserer specifikt på ammoniakemissioner.

"Vi ved, at vi skal reducere udledningen af ​​svovl og nitrogenoxid fra kulkraftværker og -køretøjer, men nu er det tydeligt, at vi bør tænke på at reducere ammoniakemissioner fra køretøjer og landbrug også. Det har vist sig at spille en afgørende rolle både i grænselaget, påvirker luftkvaliteten, men også i sammensætningen af ​​den øvre troposfære."

Wang, der nu er postdoc ved California Institute of Technology, siger, at næste skridt er at designe yderligere undersøgelser for at afdække, om andre forbindelser kommer til den øvre troposfære på lignende måde. + Udforsk yderligere

Opdagelse af en ny måde, hvorpå aerosoler hurtigt dannes og vokser i stor højde