Предупреждения о качестве воздуха часто включают уровни твердых частиц, небольших скоплений молекул в нижних слоях атмосферы, размеры которых могут варьироваться от микроскопических до видимых. Эти частицы могут способствовать образованию дымки, облаков и тумана, а также могут представлять опасность для здоровья, особенно те, которые находятся на меньшем конце спектра. Частицы, известные как PM10 и PM2,5, представляющие собой сгустки размером от 2,5 до 10 микрометров, можно вдыхать, что может нанести вред сердцу и легким.
На этой неделе группа ученых из Пенсильванского университета в сотрудничестве с международной командой сообщила о новом факторе, влияющем на образование частиц в атмосфере. Их анализ, опубликованный в Proceedings of the National Academy of Sciences, показал, что спирты, такие как метанол, могут уменьшить образование частиц за счет потребления одного из ключевых ингредиентов процесса, триоксида серы (SO3)..
«Сейчас мы все обеспокоены PM2,5 и PM10, потому что они имеют некоторые реальные последствия для качества воздуха и здоровья», - говорит Джозеф С. Франциско, соответствующий автор статьи и атмосферный химик в Школа искусств и наук Пенна. «Вопрос заключался в том, как подавить образование таких частиц? Эта работа на самом деле впервые дает очень важное представление о том, как можно подавить рост частиц».
«Мы и другие ученые изучаем этот процесс роста частиц, чтобы лучше понять погоду и последствия для здоровья», - говорит Цзе Чжун, научный сотрудник Пенсильванского университета и соавтор работы. «Раньше люди думали, что спирты не важны, потому что они слабо взаимодействуют с другими молекулами. Но спирты привлекли наше внимание, потому что их много в атмосфере, и мы обнаружили, что они действительно играют значительную роль в снижении образования частиц».
В преддверии этой работы Чжун и его коллеги сосредоточились на различных реакциях с участием SO3, которые могут возникать в результате различных типов загрязнения, таких как сжигание ископаемого топлива. В сочетании с молекулами воды SO3 образует серную кислоту, которая является основным компонентом кислотных дождей, а также одним из наиболее важных «зародышей» для роста частиц в атмосфере.
Химики знали, что спирты не очень «липкие», образуя лишь слабые взаимодействия с SO3, и поэтому отвергли его как ключевой фактор, способствующий образованию частиц. Но когда Чжун и его коллеги присмотрелись поближе, используя мощные модели вычислительной химии и моделирование молекулярной динамики, они поняли, что SO3 действительно может реагировать со спиртами, такими как метанол, когда его много в атмосфере. Полученный продукт, метилгидросульфат (MHS), является достаточно липким, чтобы участвовать в процессе образования частиц.
«Поскольку эта реакция превращает спирты в более липкие соединения, - говорит Чжун, - изначально мы думали, что это будет способствовать процессу образования частиц. Но это не так. Это самое интересное. Спирты поглощают или конкурируют за SO3 поэтому меньше его доступно для образования серной кислоты».
Несмотря на то, что реакция между метанолом и SO3 требует больше энергии, исследователи обнаружили, что сам MHS, в дополнение к серной кислоте и воде, может катализировать реакцию метанола.
«Для нас было интересно обнаружить, что MHS может катализировать собственное формирование», - говорит Франсиско. «И что также было уникальным в этой работе и что застало нас врасплох, так это влияние эффекта».
Франциско и Чжун отмечают, что в сухих и загрязненных условиях, когда в атмосфере много спиртов и SO3, а молекулы воды менее доступны, эта реакция может играть особенно важную роль в снижении скорости образования частиц. Тем не менее, они также признают, что MHS, производство реакции метанол-SO3, также был связан с негативным воздействием на здоровье.
"Это баланс", - говорит Чжун. «С одной стороны, эта реакция уменьшает образование новых частиц, но с другой стороны, она производит другой продукт, который не очень полезен для здоровья».
То, что действительно предлагает новое понимание образования частиц, - это информация, которая может привести к созданию более точных моделей загрязнения воздуха и даже погоды и климата, говорят исследователи. «Эти модели были не очень точными, и теперь мы знаем, что они не включали этот механизм, который ранее не был известен», - говорит Чжун.
В качестве следующего шага исследователи изучают, как более холодные условия, включая снег и лед, влияют на образование новых частиц. «Это очень уместно, потому что приближается зима». - говорит Франсиско.