Будучи первым, кто полностью отследил изменение химического состава молекул углерода в воздухе, профессор Технологического института Вирджинии может изменить то, как мы изучаем загрязняющие вещества, смог и выбросы в атмосферу.
Габриэль Исаакман-ВанВерц, ведущий научный сотрудник нового исследования, опубликованного в журнале Nature Chemistry, и доцент кафедры гражданской и экологической инженерии Технологического института Вирджинии, разработал метод отслеживания реакций между воздухом и углеродсодержащими соединениями - подвиг что ранее было недоступно исследователям.
Это новое открытие может позволить исследователям всесторонне изучить загрязнение, смог и дымку, опираясь на данные, которые точно описывают поведение соединения с течением времени.
«В атмосфере присутствуют десятки тысяч различных соединений», - сказал Исаакман-ВанВерц. «Вообще, основное внимание в моей работе уделяется изучению химии того, как эти десятки тысяч соединений взаимодействуют друг с другом и изменяются со временем».
Когда определенное соединение попадает в атмосферу, оно вступает в химическую реакцию с образованием других соединений и молекул с течением времени, объясняет Исаакман-ВанВерц, который начал это исследование в качестве научного сотрудника Массачусетского технологического института с докторской степенью. соавтор исследования Джесси Кролл.
Исаакман-ВанВерц уделяет особое внимание изучению того, как атмосфера взаимодействует с органическими соединениями - углеродосодержащими соединениями, из которых состоят все живые существа. Большое количество этих соединений выбрасывается из природных источников и в результате деятельности человека.
Все, что имеет запах, выделяет органические соединения: например, цитрусовые, уксус, жидкость для снятия лака и бензин. Как только эти выбрасываемые соединения попадают в атмосферу, они сложным образом изменяются, образуя сотни или тысячи других соединений.
Раньше отслеживание того, как меняется углерод при попадании в атмосферу, было сложной задачей. Благодаря инструментам, разработанным в последнее десятилетие, это исследование показало, что полное измерение содержания углерода в атмосфере теперь возможно, хотя для этого по-прежнему требуются современные инструменты и тщательный анализ.
Для этого проекта Исаакман-ВанВерц изучил запах сосны, которая состоит из органического соединения, известного как пинен.
Исаакман-ВанВерц и его сотрудники в Массачусетском технологическом институте использовали пять спектрометров - усовершенствованное оборудование, которое классифицирует химические вещества по их массам и содержащимся в них атомам - для измерения характеристик углерода внутри тефлонового мешка размером с человека в комната с климат-контролем и черной подсветкой.
Когда они включали черный свет, это было похоже на включение солнца, сказал Исаакман-ВанВерц. Свет «солнца» стимулировал химию пинена внутри камеры и моделировал реакции, которые должны были происходить в атмосфере.
Каждому спектрометру было поручено собирать определенный набор данных на протяжении всей прошедшей реакции, например отслеживать определенные диапазоны химических соединений. По словам Исаакмана-ВанВерца, одной из самых сложных частей этого эксперимента было приведение всех этих измерений к одной шкале. По его словам, понимание конкретных деталей и измерений каждого прибора может быть настолько сложным, что есть докторанты, которые пишут целые диссертации на эти темы.
Исаакман-ВанВерц и его сотрудники впервые смогли полностью отследить углерод в молекулах пинена от начала до конца, когда они претерпевают химические изменения, как в атмосфере. Атомы углерода в пинене не исчезают после их первоначального попадания в атмосферу - они превращаются в сотни различных соединений в результате каскада химических реакций.
Хотя первоначальная смесь соединений, образующихся в результате реакций с пиненом, очень сложна, было обнаружено, что весь углерод оказывается в «резервуарах», которые относительно стабильны и не будут вступать в дальнейшие реакции в атмосфере.
Более того, процесс, вероятно, аналогичен для других соединений на основе углерода. Исаакман-ВанВерц выбрал пинен, потому что он был тщательно изучен, поэтому он мог использовать предыдущую работу, чтобы разобраться в своих наблюдениях.
Хотя пинен выбрасывается естественным путем, его поведение достаточно сопоставимо, чтобы лучше предсказать, как другие соединения, такие как содержащиеся в загрязняющих веществах, смоге и дымке, будут реагировать в воздухе. Понимание этого помогает «нарисовать общую картину атмосферы», - сказал Исаакман-ВанВерц.
Например, эти результаты помогут другим исследователям понять, как загрязняющие вещества от электростанции могут трансформироваться в атмосферу и воздействовать на население с подветренной стороны.
"Если вы можете понять, как происходит химия, то вы можете понять, какие виды загрязняющих веществ будут в атмосфере, исходя из того, как далеко вы находитесь от источника загрязнения", - объяснил Исаакман-ВанВерц.
Исаакман-ВанВерц надеется, что другие исследователи будут опираться на результаты этого исследования. Он хочет знать, применима ли тенденция выбрасываемых соединений к превращению в долгоживущие компоненты атмосферы в целом в другие соединения и как этот процесс может сосуществовать или конкурировать с другими процессами, происходящими в атмосфере.