Forskere giver et hidtil uset syn på aerosoldannelse i jordens lavere atmosfære

85 procent af jordens luft befinder sig i det laveste lag af atmosfæren eller troposfæren. Alligevel er der stadig store huller i vores forståelse af den atmosfæriske kemi, der driver ændringer i troposfærens sammensætning.

Et særligt vigtigt hul i viden er dannelsen og udbredelsen af ​​sekundære organiske aerosoler (SOA'er), som påvirker planetens strålingsbalance, luftkvalitet og menneskers sundhed. Men det hul er ved at lukke – på grund af de banebrydende opdagelser fra et internationalt hold af forskere ledet af det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, Sandia National Laboratories og NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Forskerne beskriver deres resultater i et nyt papir offentliggjort i Nature Geosciences .

Holdet fokuserede på en klasse af forbindelser kendt som Criegee-mellemprodukter (CI'er). Forskere formoder, at CI'er spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​SOA'er, når de kombineres via en proces kaldet oligomerisering. Men ingen havde nogensinde direkte identificeret de kemiske signaturer af denne proces i marken – indtil nu.

Ved at bruge de mest avancerede metoder, der er tilgængelige til at detektere gasfasemolekyler og aerosoler i atmosfæren, tog holdet feltmålinger i Amazonas regnskoven, et af de mest afgørende SOA-områder på Jorden. Der fandt de klare beviser i overensstemmelse med reaktioner af en Criegee-mellemforbindelse indeholdende kulstof, hydrogen og oxygen (CH₂ OO).

"Denne opdagelse er ekstremt betydningsfuld, fordi vi var i stand til at skabe direkte forbindelser mellem, hvad vi faktisk så i felten, hvad vi forventede skete med oligomerisering af CI'er, og hvad vi var i stand til at karakterisere i laboratoriet og bestemme teoretisk," forklarede Rebecca L. Caravan, assisterende kemiker i Argonne og første forfatter på papiret.

Disse feltobservationer udgør blot én komponent i den innovative videnskab, der er muliggjort af samarbejdet på tværs af laboratorierne.

"Ud over feltmålingerne var vi i stand til at anvende verdens mest avancerede eksperimentelle metoder til direkte at karakterisere Criegee-mellemreaktionerne. Vi brugte den mest avancerede teoretiske kinetik til at forudsige reaktioner, vi ikke kan måle direkte. Og vi udnyttede mest avancerede globale kemimodeller til at vurdere de virkninger, vi ville forvente, at oligomerisering ville have i troposfæren baseret på disse kinetikker," sagde Craig A. Taatjes, en forbrændingskemiker hos Sandia.

Denne kombination af komponenter gav nogle kritisk vigtige resultater.

"Først opdagede vi, at CI-kemi kan spille en større rolle i at ændre sammensætningen af ​​troposfæren, end de nuværende atmosfæriske modeller tegner sig for - sandsynligvis i en størrelsesorden," sagde Carl Percival, en forsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory. "For det andet producerede den opdaterede modellering, som vi udførte baseret på vores arbejde, kun en brøkdel af de oligomeriseringssignaturer, vi observerede i felten."

Dette kunne betyde, at CI-kemi kunne drive endnu mere transformation i troposfæren, eller at andre, endnu uidentificerede kemiske mekanismer er på arbejde.

"Vi har stadig meget arbejde at gøre for fuldt ud at definere rollen af ​​CI-reaktioner i troposfæren," konkluderede Caravan. "Men disse resultater udvider i væsentlig grad vores forståelse af en potentielt betydningsfuld vej for SOA-dannelse i det vigtigste lag af jordens atmosfære."

Flere oplysninger: R. L. Caravan et al, Observationsbevis for Criegee mellemliggende oligomeriseringsreaktioner, der er relevante for aerosoldannelse i troposfæren, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-023-01361-6

Journaloplysninger: Natur Geoscience

Leveret af Argonne National Laboratory