Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Аэрозольные частицы оказались источниками муравьиной кислоты в атмосфере

Mahir Dzambegovic / Paul Scherrer Institute

Ученые европейских стран с помощью нескольких масс-спектрометров и камеры с озоном и биогенным летучим органическим веществом смогли создать аэрозоль, аналогичный атмосферному, и впервые изучить реакции, происходящие в его частицах. Оказалось, что со временем, за счет взаимодействия с активными соединениями кислорода, в частицах происходят химические реакции, и они могут становиться источником муравьиной кислоты. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Рассеивание и поглощение солнечного света аэрозолями в атмосфере Земли, а также их влияние на физические свойства облаков оказывает ощутимое влияние на климат планеты. В процессе окисления летучих биогенных и антропогенных органических веществ образуются так называемые высокоокисленные летучие органические соединения, которые играют ключевую роль в формировании и росте аэрозольных частиц. С точки зрения термодинамики, конденсация этих веществ означает необратимый переход вещества в форму частиц, а значит и снижение концентрации органических веществ в газовой фазе. В силу ограничений современных методов, до сих пор исследования процессов, происходящих с аэрозольными частицами этих веществ в реальном времени в атмосфере, не проводили. Поэтому природа происходящих химических реакций в частицах остается неизученной.

Вероника Посписилова (Veronika Pospisilova) с коллегами из Института Пауля Шеррера с помощью масс-спектрометрии проанализировала аэрозоль из высокоокисленных летучих органических соединений, образованный при озонолизе биогенного летучего органического соединения альфа-пинена. Времяпролетный масс-спектрометр с экстрактивной ионизацией электроспреем помог исследователям установить молекулярные формулы входящих в состав аэрозоля веществ при его непрерывном вводе.

Чтобы разделить процессы образования газовой фазы, конденсации и реакций органических соединений в частицах аэрозоля, ученые провели три эксперимента в тефлоновой камере. Они ввели в темную камеру около 30 ppbv (миллиардных частей по объему) альфа-пинена и избыток озона, соответствующий условиям атмосферы над финским лесом. В таких условиях аэрозоль образовался быстро и с минимальными потерями паров на стенках камеры. Реакционную смесь не трогали в течение 12 часов, лишь поддерживая нужное давление.

Состав частиц аэрозоля определяли методами времяпролетной масс-спектрометрии с экстрактивной ионизацией электроспреем и масс-спектрометрии с химической ионизацией. Первый из методов позволил определять состав частиц с разрешением в одну секунду, а второй – в 50 минут. Исследователи также следили за распределением размеров частиц и общим объемом аэрозоля. Состав газовой фазы контролировали другие три масс-спектрометра.

Полученные масс-спектры указывали на содержание мономеров С510 и димеров С1520, из которых больше половины составили мономеры С9 и С10: аналогично сигналам в спектрах, полученных при анализе атмосферы над бореальным лесом в Финляндии в мае 2017 года. В зависимости от концентраций, от 80 до 88 процентов сигналов совпадают, оставшиеся сигналы относят к нитросоединениям и более мелким молекулам. Если состав лабораторного и природного аэрозолей совпадают, вероятно, и реакции, которые происходят в камере, также происходят и в атмосфере.

По словам авторов, их результаты показывают, какое большое влияние на эволюцию аэрозоля оказывают реакции в частицах, которые скорее всего инициируются активными соединениями кислорода, такими как пероксиды, пероксикислоты и гидропероксиды. Время жизни таких соединений внутри частиц составило от 30 до 150 минут, а как только эти соединения полностью расходовались, состав аэрозоля не изменялся в течение всего эксперимента, что может означать, что их концентрация в более старых воздушных массах меньше, чем в свежих аэрозолях. Высокая скорость и повсеместность разложения активных соединений кислорода подчеркивают важность сбора данных о составе и свойствах аэрозоля в реальном времени, а полученные кинетические параметры станут важнейшим дополнением к традиционным анализам.

Авторы также показали, что со временем частицы аэрозоля покидают образовавшиеся в них в результате реакций маленькие летучие карбоновые кислоты, основную часть которых составляет муравьиная. Это может быть объяснением завышенных данных о содержании этой кислоты в атмосфере по сравнению с теоретическими моделями, однако это еще предстоит доказать.

За счет рассеивания света аэрозольные частицы могут компенсировать повышение температуры на Земле. В 2017 году климатологи оценили корреляции между климатом и эффектом отражения света различными аэрозолями естественного происхождения. Разрабатываются модели эволюции климата при искусственном введении аэрозолей в атмосферу для снижения температуры Земли. Прошлой весной американские исследователи предложили один из таких относительно безопасных методов. Больше о глобальном изменении климата можно прочитать в нашем материале «Священная клюшка».

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.