Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har utvecklat en ny metod för att analysera partiklar mer exakt än någonsin tidigare. Använder det, de motbevisade en etablerad doktrin:att molekyler i aerosoler inte genomgår några ytterligare kemiska omvandlingar eftersom de är inneslutna i andra suspenderade partiklar. I smogkammaren på PSI, de analyserade kemiska föreningar direkt i aerosoler och observerade hur molekyler dissocierade och därmed släppte ut gasformig myrsyra i atmosfären. Dessa fynd kommer att bidra till att förbättra förståelsen för globala processer involverade i molnbildning och luftföroreningar, och förfina motsvarande modeller. Resultaten av denna undersökning publiceras idag i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Den välbekanta doften av tallskog orsakas av α-pinen. Detta är en av de flyktiga organiska föreningarna i oljorna från barrträd, och det förekommer även i eukalyptus och rosmarin. Lukten väcker behagliga känslor hos de flesta. Mindre trevligt är att under påverkan av radikaler, föreningen förändras till andra föreningar i atmosfären, så kallade högoxiderade organiska molekyler. En del av dessa är reaktiva och till viss del skadliga ämnen. De har först nyligen kommit under granskning av atmosfäriska forskare, och deras roll i molnbildningen är ännu inte förstått.

Dessa starkt oxiderade organiska molekyler är mindre flyktiga än utgångssubstansen a-pinen och kondenserar därför lätt. Tillsammans med dammpartiklar och andra fasta och flytande ämnen i luften, de bildar vad vi kallar partiklar eller aerosoler.

"Tills nu, man trodde att sådana molekyler är skyddade från ytterligare omvandlingar när de väl har landat i partiklar, " säger Andre Prévôt från Laboratory of Atmospheric Chemistry vid PSI. "Man trodde att de då inte skulle förändras mer, men skulle helt enkelt sprida sig över atmosfären och så småningom regna ner."

Denna utbredda åsikt stämmer inte överens med verkligheten, dock, som Prévôt och hans forskarkollegor vid PSI visade:"Reaktionerna fortsätter, även i partikelmaterialet." Molekylerna förblir reaktiva och antingen reagerar med varandra för att bilda större partiklar eller disassocieras, därigenom frisätter till exempel myrsyra. Denna vanliga förening finns inte bara i myror och brännässlor, men också i atmosfären, där det är en viktig indikator på luftföroreningar.

PSI-forskarnas observationer bör bidra till att förbättra simuleringsmodeller, till exempel för molnbildning och luftföroreningar. Modellerna simulerar vad som händer i atmosfären för att förutsäga, till exempel, hur en minskning av vissa utsläpp kommer att påverka luftkvaliteten.

Från aerosolen till mätanordningen

För första gången, PSI-forskare analyserade kemiska föreningar direkt i partiklar under atmosfäriska förhållanden. För detta, de använde PSI smogkammaren, där processer i atmosfären kan simuleras. Forskarna injicerade en droppe α-pinen i kammaren och fick föreningen att reagera med ozon. Under en period av 15 timmar, de observerade vilka kemiska föreningar som bildades av α-pinen och vilka som försvann igen efteråt.

Detta möjliggjordes av en ny analysanordning för atmosfäriska mätningar som forskarna utvecklade i samarbete med företaget Tofwerk i Thun, Schweiz:en så kallad EESI-TOF (extractive electrospray ionization time-of-flight mass spectrometer). "Den upptäcker också större molekyler direkt i aerosolen, " förklarar atmosfärskemisten Urs Baltensperger. "Tidigare mätmetoder, å andra sidan, hacka upp molekylerna till mindre fragment vid höga temperaturer." Den nya enheten joniseras utan fragmentering. "Vi kan spela in varje molekyl separat."

Tofwerk har nu tagit ut enheten på marknaden med hjälp av PSI, så att även andra atmosfäriska forskare kan dra nytta av den nya metoden.

Mätningar i Zürich

Den nya analysmetoden kan användas inte bara i laboratoriet, men även direkt på plats. Under vintern 2018/19 och sommaren 2019, PSI-forskare använde den för att undersöka aerosoler i luften i Zürich. Som det blev, en dryg tredjedel av Zürichs partiklar på sommaren består enbart av reaktionsprodukter av α-pinen och liknande molekyler. På vintern, dock, utsläpp från vedeldade system och deras reaktionsprodukter kommer i förgrunden.

Forskarna har planerat ytterligare mätkampanjer i Kina och Indien. Där vill man analysera vilka molekyler som bildas i luften i en stad med mer än en miljon invånare.