Химики смоделировали образование аэрозолей в тропосфере

Ученые из ЦЕРНа в рамках эксперимента CLOUD смоделировали образование аэрозоля из смеси газообразных азотной кислоты, серной кислоты и аммиака. Они выяснили, что именно в присутствии всех трех веществ образуется много частиц, которые растут в 10–1000 раз быстрее, чем в случае смеси серной кислоты и аммиака. Образованные таким образом аэрозоли могут влиять на климат нескольких континентов, пишут ученые в Nature.

Аэрозоли — группы взвешенных в газе частиц — постоянно образуются в тропосфере и отражают часть солнечного излучения, направленного на Землю. А на достаточно больших частицах аэрозолей может конденсироваться вода, в результате чего образуются облака. Но несмотря на важную роль аэрозолей в поддерживании климата Земли, механизмы их образования до сих пор достоверно не изучены.

Чтобы узнать, как именно в тропосфере образуются аэрозоли, ученые из ЦЕРНа под руководством Нила Донахью (Neil M. Donahue) в 2009 году запустили эксперимент CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets). Его установка представляет собой стальной резервуар объемом 26 кубических метров, заполненный смесью азота и кислорода. В резервуар можно вводить разные газы и наблюдать образование аэрозолей. Также установка позволяет измерять скорость роста частиц и их количество.

Ранее ученые думали, что аэрозоли в тропосфере образуются преимущественно из смесей аммиака (NH₃) и серной кислоты (H₂SO₄). Но химики из ЦЕРНа предположили, что в этом процессе участвует еще одно вещество — азотная кислота HNO₃. Они решили смоделировать образование аэрозоля из смеси всех трех веществ.

Сначала ученые ввели в резервуар аммиак (6.5 × 10⁸ частиц на кубический сантиметр) и сернистый газ SO₂. Затем они начали облучать смесь газов ультрафиолетом, и в результате фотохимического окисления сернистого газа образовалась серная кислота (2.3 × 10⁶ частиц на кубический сантиметр). В этот момент начал образовываться аэрозоль, но скорость роста частиц была очень небольшой: за два часа ни одна частица не достигла диаметра в 2.5 нанометра. Тогда ученые впрыснули в резервуар пары азотной кислоты, ее концентрация составила 2 × 10⁹ частиц на кубический сантиметр. К удивлению ученых, количество частиц резко увеличилось в десятки раз, а скорость их роста составила 40 нанометров в час.

Чтобы подтвердить свои результаты, химики провели два похожих эксперимента, в которых они брали смесь двух веществ, а затем добавляли третье. В обоих случаях количество и размер частиц резко увеличивались при добавлении третьего вещества.

Далее ученые изучили механизм образования аэрозоля. Они выдвинули две гипотезы: либо аэрозоль образуется из аммиака и серной кислоты, а рост частиц происходит за счет азотной кислоты, либо все три вещества участвуют в образовании аэрозоля. Эксперименты по масс-спектрометрии показали, что в присутствии азотной кислоты состав даже небольших частиц отличается от того, что химики наблюдали без азотной кислоты. Так они подтвердили, что все три вещества одновременно участвуют в образовании аэрозоля.

Авторы статьи предположили, что образование аэрозоля из трех веществ характерно для тропосферы в области азиатского муссона, где ученые уже наблюдали повышенное содержание аммиака, необходимого для протекания этого процесса. Компьютерный расчет показал, что несмотря на то что частицы, скорее всего, образуются в богатых аммиаком частях тропосферы, они могут перемещаться от Азии до Северной Америки всего за три дня. Так ученые показали, что, возможно, образованные из трех веществ аэрозоли влияют на климат нескольких континентов.

В результате химики предложили механизм образования аэрозолей из трех веществ одновременно в области азиатского муссона. Они считают, что в дальнейшем их открытие поможет более точно предсказывать изменения климата.

Аэрозоли могут сильно влиять на климат, и некоторые ученые думают, что с помощью искусственного распыления аэрозолей можно будет экстренно охладить Землю в случае резкого потепления. Подробно об этом можно прочитать в нашем материале «Я тучи разведу руками».

Михаил Бойм