Несмотря на значительную угрозу для здоровья, которую представляет загрязнение мелкодисперсными частицами, фундаментальные аспекты его формирования и эволюции продолжают ускользать от ученых.
Это особенно верно для органической фракции мелких частиц (также называемых аэрозолями), большая часть которых образуется при окислении органических газов в атмосфере. Компьютерные модели занижают прогноз этого так называемого «вторичного» органического аэрозоля (SOA) по сравнению с полевыми измерениями, что указывает на то, что в моделях либо отсутствуют некоторые важные источники, либо не описаны физические процессы, которые приводят к образованию SOA.
Новое исследование Университета Карнеги-Меллона в сотрудничестве с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) проливает свет на недооцененный источник SOA, который может помочь закрыть этот разрыв между моделью и измерениями. Исследование, опубликованное в журнале «Environmental Science & Technology», показывает, что летучие органические соединения (ЛОС), которые традиционно не учитывались, могут вносить такой же или даже больший вклад в городскую SOA, как и давно учтенные источники, такие как выбросы транспортных средств и выдыхаемые газы из листьев деревьев.
«Наш эксперимент показывает, что в районах с большим количеством людей вы можете объяснить только около половины наблюдаемого в полевых условиях SOA традиционными выбросами от транспортных средств и деревьев», - сказал профессор Альберт Престо. в машиностроении и соответствующий автор исследования. «Мы приписываем эту вторую половину этим нетрадиционным ЛОС».
В 2018 году исследователи из NOAA произвели фурор в журнале Science, когда подробно описали, как нетрадиционные ЛОС составляют половину всех ЛОС в городской атмосфере в США. С. городов. Нетрадиционные летучие органические соединения происходят из множества различных химических веществ, промышленных и бытовых продуктов, включая пестициды, покрытия и краски, чистящие средства и даже средства личной гигиены, такие как дезодоранты. Такие продукты обычно содержат органические растворители, испарение которых приводит к значительным выбросам ЛОС в атмосферу.
«Мы используем много повседневных вещей», - сказал Престо. «Все ароматизированное, что вы используете, содержит органические молекулы, которые могут попасть в атмосферу и вступить в реакцию», где они могут образовать SOA.
Распространенность этих ЛОС представляет собой сдвиг парадигмы в городской картине SOA. Транспортный сектор долгое время был основным источником ЛОС в городском воздухе, но выбросы транспортных средств в США резко сократились (до 90%) из-за правил выхлопных газов в последние десятилетия, даже несмотря на рост потребления топлива. По мере того, как ЛОС, связанные с транспортом, исчезали, нетрадиционные ЛОС начали вносить больший относительный вклад в городскую атмосферу. Хотя исследование NOAA предупредило атмосферное научное сообщество о величине нетрадиционных ЛОС в городской среде, они могли только предположить, что эти газы, вероятно, важны для образования SOA; идею еще нужно было проверить.
Тестирование того, сколько SOA формируется из них, - непростая задача. Формирование SOA в атмосфере происходит в течение нескольких дней, что затрудняет отслеживание пути выбрасываемых газов, поскольку они рассеиваются ветрами и начинают реагировать с солнечным светом и другими окислителями.
Ришаб Шах, аспирант, который учился у Presto, а сейчас работает в NOAA, сконструировал реактор для оценки полного потенциала образования SOA в образце воздуха без необходимости отслеживать этот воздух во времени.
«Реактор - это своего рода приложение на вашем смартфоне для формирования SOA», - сказал Шах. «Вы делаете снимок, и приложение показывает, как вы будете выглядеть через десять лет».
Реактор ускоряет извилистое путешествие газа, бомбардируя его окислителями в гораздо более высоких концентрациях, чем в атмосфере. Это физически моделирует всего за несколько секунд все реакции, которым молекула газа подвергается в атмосфере в течение недели. Всего за мгновение реактор Шаха может оценить весь потенциал воздуха, который он отбирает для формирования SOA.
Команда установила свой реактор в фургоне, создав мобильную платформу, с которой они могли получить доступ к воздуху из разных мест, содержащих различные уровни нетрадиционных летучих органических соединений. Эти места включали участки с подветренной стороны от крупного промышленного объекта, рядом со строительной площадкой, в глубоких «уличных каньонах», созданных небоскребами в центре города, и среди малоэтажных зданий городского квартала.
В местах с большим количеством нетрадиционных ЛОС в реакторе образовалось большое количество SOA. Эти места включали как уличные каньоны в центре города, так и городские малоэтажки, где испарение потребительских товаров, таких как дезодоранты и кондиционеры, является высоким, особенно по утрам. Усовершенствованные газоанализаторы на борту мобильной платформы позволили команде обнаружить присутствие многих из этих нетрадиционных ЛОС.
Важно отметить, что в этих местах стандартные современные компьютерные модели не могли предсказать полное количество SOA, которое они наблюдали в своем реакторе. Однако в других средах с меньшим количеством нетрадиционных ЛОС модель смогла точно предсказать, сколько SOA образуется в реакторе.
Вместе эти свидетельства образуют убедительный аргумент в пользу того, что нетрадиционные выбросы ЛОС являются причиной значительного количества выбросов SOA в городах. По оценкам Presto, эти нетрадиционные выбросы имеют примерно такой же вклад, как выбросы транспорта и биосферы вместе взятые, в соответствии с гипотезой, выдвинутой NOAA..
"Традиционно мы много внимания уделяли электростанциям и транспортным средствам для улучшения качества воздуха, которые в США стали намного чище." - сказал Престо. «Это означает, что теперь значительная часть SOA исходит из этой другой категории «повседневных и вездесущих», которая до недавнего времени не рассматривалась."