Flerfasebuffring med ammoniak forklarer en bred vifte af atmosfærisk aerosolsurhed

Aerosoler er bittesmå faste eller flydende partikler suspenderet i luften. De påvirker klimaet ved at absorbere eller sprede sollys og tjene som skykondensationskerner. I øvrigt, de kan påvirke menneskers velvære gennem negative sundhedsvirkninger af fine partikler.

En stor del af partikler består af nitrat, sulfat, og ammoniumioner. Dannelsen af ​​disse vigtigste aerosolkomponenter er stærkt påvirket af aerosolens surhedsgrad, som varierer meget mellem forskellige regioner med aerosol pH-værdier fra ~1 til ~6. Drivkraften bag disse store variationer, imidlertid, er ikke klare.

Forskere har nu opdaget, hvor vigtigt vandindholdet og den samlede massekoncentration af aerosolpartikler er for deres surhedsgrad. Et hold ledet af Yafang Cheng og Hang Su fra Max Planck Institute for Chemistry opdagede, at disse faktorer kan være endnu vigtigere end den tørre partikelsammensætning. For befolkede kontinentale områder med høje menneskeskabte emissioner af ammoniak fra landbruget, Trafik, og industri, de fandt ud af, at aerosol-pH effektivt kan bufferes og stabiliseres på forskellige niveauer af det konjugerede syre-base-par af ammoniumioner og ammoniak (NH) ₄ +/NH ₃ ).

Undersøgelserne er nu offentliggjort i det tværfaglige forskningstidsskrift Videnskab startede med spørgsmålet, om og hvordan pH-værdien af ​​aerosoler er bufret i forskellige kontinentale regioner. For at løse dette problem, Forskerne fra Mainz udviklede en ny teori om flerfasebuffring i aerosoler, analyserede atmosfæriske måledata og udførte globale modelsimuleringer af aerosolsammensætning og surhedsgrad.

"Det viste sig, at syre-base-parret NH ₄ +/NH ₃ bufferer aerosolens pH over de mest befolkede kontinentale områder, selvom surhedsgraden kan variere med flere pH-enheder", siger Yafang Cheng, Minerva Research Group leder ved Max Planck Institute for Chemistry. "Variationer i vandindhold er ansvarlige for 70-80 procent af den globale variabilitet i aerosol-pH i ammoniakpufrede områder, som ikke tidligere var kendt og kan forklares med vores nye flerfasebufferteori, " tilføjer hun.

I særdeleshed, Max Planck-forskerne brugte deres model til at sammenligne aerosolsammensætning og surhedsgrad for to meget forskellige geografiske områder og forhold. I det sydøstlige USA om sommeren, luften er ren, og de få atmosfæriske aerosolpartikler indeholder lidt vand ved pH-værdier omkring ~1, hvorimod der typisk er høje aerosolkoncentrationer med højt vandindhold ved pH-værdier omkring ~5 over den nordkinesiske slette om vinteren. "Vi finder, at disse store forskelle i aerosol-pH primært skyldes forskelle i aerosolbelastning og vandindhold snarere end forskelle i nitratindholdet som antaget i tidligere undersøgelser, " forklarer Guangjie Zheng, en postdoc i Yafang Chengs gruppe.

"Globalt, ~70% af byområderne er i det ammoniakbuffede regime", opsummerer Hang Su, videnskabelig gruppeleder i instituttets flerfasekemiafdeling. "Dermed, den nyopdagede flerfasede buffermekanisme er vigtig for at forstå disdannelse og aerosoleffekter på menneskers sundhed og klima i antropocæn."

Resultaterne fra teamet omkring Cheng og Su antyder ikke kun, at aerosol-pH og atmosfærisk flerfasekemi er stærkt påvirket af den gennemgribende menneskelige indflydelse på ammoniakemissioner og nitrogenkredsløbet i antropocæn. De forbedrer også forståelsen af, hvordan luftforurening udvikler sig og giver dermed en vigtig tilgang til mulige kontrolforanstaltninger.