Under soliga dagar i megastäder som Peking bildar gasformiga syror och basföroreningar en stor mängd nya ultrafina partiklar. Grupperingen mellan en syra och en bas är det hastighetsbegränsande steget för ny partikelbildning. Kredit:Science China Press
En gemensam forskargrupp ledd av Dr Jingkun Jiang från Tsinghua University och Dr Markku Kulmala från Helsingfors universitet har rapporterat en effektiv mekanism för gasformig svavelsyra och baser för att bilda atmosfäriska ultrafina partiklar. Fynden förklarar den snabba bildningen av sekundära ultrafina partiklar, vilket ytterligare kan påverka luftkvaliteten och klimatet.
Teamet fann att syra-basreaktioner är de viktigaste drivkrafterna för gasformiga prekursorer för att övervinna ytspänning och bilda ultrafina partiklar, och nyckelmekanismen är bildandet av dolda syra-basheterodimerer. Denna dolda mekanism förklarar den höga partikelbildningshastigheten i kinesiska megastäder.
Deras resultat publicerades i National Science Review .
"Det finns hundratusentals ultrafina partiklar i luften per kubikcentimeter i kinesiska megastäder, och en ny partikelbildningshändelse en solig middag kan lätt höja deras koncentration med en storleksordning inom flera timmar", säger Jiang.
För att förklara hur nya partiklar så effektivt kan omvandlas från gasformiga prekursorer, är Jiang och Kulmala, tillsammans med Dr Runlong Cai, fast beslutna att söka nyckelmekanismen för snabb ny partikelbildning. De har känt till att svavelsyra är en primär prekursor, medan utmaningen är att hitta nyckelbaserna bland många kandidater. "Stadsluft är en komplex cocktail av kemikalier med dåligt förstådda interaktioner och återkopplingar," kommenterade Kulmala.
Forskarna observerade mycket rikliga molekylära kluster innehållande svavelsyra under ny partikelbildning i Peking och Shanghai. Några av de uppmätta klustren innehåller svavelsyra- och aminmolekyler. Dessa ger starka bevis för amindeltagande i bildandet av stabila svavelsyrakluster, vilket ökar omvandlingshastigheten från gasformig svavelsyra till nya partiklar.
"Det är spännande att vi mätte färre baser än syror i ett kluster. Det måste finnas en del nyckelinformation gömd bakom de uppmätta signalerna", säger Cai. Det föreslogs tidigare att klustringen mellan en basmolekyl och en svavelsyrahomodimer är nyckelmekanismen för ny partikelbildning, eftersom det inte fanns några basmolekyler i de uppmätta klustren som innehåller en svavelsyramolekyl. Forskargruppen fann dock att detta var en mätartefakt.
Genom att kombinera långsiktiga mätningar och teori baserad på kvantkemi och klusterkinetik fann de att bildandet av dolda syra-basheterodimerer är nyckelmekanismen. Denna mekanism är mycket effektivare än den tidigare föreslagna mekanismen med syra-syrahomodimerer, vilket säkerställer snabb bildning av svavelsyrakluster och nya partiklar.
De dolda heterodimererna löser pusslet om varför nya partiklar ofta kan bildas mot en hög bakgrundspartikelbelastning i megastäder. De dolda syra-bas-heterodimererna med en avsevärd andel i de uppmätta svavelsyrasignalerna kan effektivt klustras med varandra. Detta säkerställer en hög partikelbildningshastighet som närmar sig det teoretiska maximum även vid en låg omgivande aminkoncentration. De dolda heterodimererna förklarar också temperaturberoendet av ny partikelbildning i Peking och Shanghai. "Atmosfärsmätningar störs ofta av många faktorer. Jag förväntade mig inte en sådan fantastisk överensstämmelse mellan mätningarna och den nya teorin", säger Cai.
Teamet sökte också de dolda basmolekylerna med hjälp av termodynamiska och kinetiska analyser. Bland de uppmätta gasformiga molekylerna tjänar starka aminer såsom dimetylamin som nyckelbaserna i syra-basheterodimerer, medan den mycket rikliga ammoniaken och andra svaga baser är mer benägna att vara involverade i den efterföljande klustertillväxtprocessen. + Utforska vidare
