Team indsamler hidtil usete data om atmosfærens organiske kemi

Et par uger hen over sommeren i 2011, hold af forskere fra hele verden kom sammen på en lille plet ponderosa fyrreskov i Colorado for at udføre en af ​​de mest detaljerede, udvidet undersøgelse af atmosfærisk kemi nogensinde forsøgt ét sted, i mange tilfælde ved hjælp af nye måleenheder, der er skabt specielt til dette projekt. Nu, efter mange års analyse, deres omfattende syntese af resultaterne er blevet frigivet i denne uge.

Holdene, som omfattede en gruppe fra MIT, der brugte en nyudviklet enhed til at identificere og kvantificere carbonforbindelser, rapporterede deres samlede resultater i et papir i tidsskriftet Naturgeovidenskab . Jesse Kroll, MIT lektor i civil- og miljøteknik og kemiteknik, og James Hunter, en MIT teknisk instruktør i Institut for Materialevidenskab og Teknik, der var doktorand i Krolls gruppe på tidspunktet for forskningen, var seniorforfatter og hovedforfatter, henholdsvis, af de 24 bidragydere til rapporten. Lektor Colette Heald fra Institut for Civil- og Miljøteknik var også medforfatter.

De organiske (kulstofholdige) forbindelser, de studerede i den del af Colorado-skoven, spiller en central rolle i atmosfæriske kemiske processer, der kan påvirke luftkvaliteten, økosystemets sundhed, og selve klimaet. Alligevel forbliver mange af disse processer dårligt forstået i deres virkelige kompleksitet, og de var aldrig blevet prøvet så stringent, studeret, og kvantificeret et sted før.

"Målet var at forsøge at forstå kemien forbundet med organisk partikel i et skovklædt miljø, "Kroll forklarer." De forskellige grupper foretog mange forskellige målinger ved hjælp af topmoderne instrumenter, som vi hver især havde udviklet. "Ved at gøre det, de var i stand til at udfylde betydelige huller i opgørelsen af ​​organiske forbindelser i atmosfæren, at finde ud af, at omkring en tredjedel af dem var i form af tidligere umålede semi-flygtige og mellem-flygtige organiske forbindelser (SVOC'er og IVOC'er).

"Vi har længe mistanke om, at der var huller i vores målinger af kulstof i atmosfæren, "Kroll siger." Der syntes at være flere aerosoler, end vi kan forklare ved at måle deres forstadier. "

MIT -teamet, samt nogle af de andre forskningsgrupper, udviklet instrumenter, der specifikt målrettede disse svært målbare forbindelser, som Kroll beskriver som "stadig i gasfasen, men klæbrige. "Deres klæbrighed gør det svært at få dem gennem et indløb til et måleinstrument, men disse forbindelser kan spille en væsentlig rolle i dannelsen og ændringen af ​​aerosoler, bittesmå luftbårne partikler, der kan bidrage til smog eller til kimdannelse af regndråber eller iskrystaller, påvirker Jordens klima.

"Nogle af disse instrumenter blev brugt for første gang i denne kampagne, "Siger Kroll. Når man analyserer resultaterne, som gav hidtil usete målinger af SVOC'erne og IVOC'erne, "vi indså, at vi havde dette datasæt, der gav meget mere information om organiske forbindelser, end vi nogensinde havde haft før. Ved at samle dataene fra alle disse instrumenter til et samlet datasæt, vi var i stand til at beskrive de organiske forbindelser i atmosfæren på en mere omfattende måde end nogensinde havde været muligt, for at finde ud af, hvad der virkelig foregår. "

Det er en mere kompliceret udfordring, end det ser ud til, påpeger forskerne. Et meget stort antal forskellige organiske forbindelser udsendes konstant fra træer og anden vegetation, som varierer i deres kemiske sammensætning, deres fysiske egenskaber, og deres evne til at reagere kemisk med andre forbindelser. Så snart de kommer ind i luften, begynder mange af forbindelserne at oxidere, hvilket eksponentielt øger deres antal og mangfoldighed.

Samarbejdskampagnen for at karakterisere mængderne og reaktionerne af disse forskellige forbindelser fandt sted i et afsnit af Manitou Experimental Forest Observatory i Rocky Mountains i Colorado. Fem forskellige instrumenter blev brugt til at indsamle data om organiske forbindelser, og tre af dem havde aldrig været brugt før.

På trods af fremskridtet, meget mangler at gøre, siger forskerne. Mens feltmålingerne gav en detaljeret profil af mængderne af forskellige forbindelser over tid, den kunne ikke identificere de specifikke reaktioner og veje, der transformerede et sæt forbindelser til et andet. Den slags analyse kræver direkte undersøgelse af reaktionerne i et kontrolleret laboratorium, og den slags arbejde er i gang, i Krolls MIT lab og andre steder.

Udfyldning af alle disse detaljer vil gøre det muligt at forfine nøjagtigheden af ​​atmosfæriske modeller og hjælpe med at vurdere ting som strategier til at afbøde specifikke luftforureningsproblemer, fra ozon til partikler, eller at vurdere kilder og fjernelsesmekanismer for atmosfæriske komponenter, der påvirker Jordens klima.