Den europeiska organisationen för kärnforsknings (CERN) molnkammare kan återskapa temperaturförhållanden var som helst i atmosfären, vilket gör det möjligt för forskare att övervaka och analysera partikelbildning i olika regioner. Kredit:European Council for Research Nuclear (CERN)
En upptäckt av tidigare Carnegie Mellon Ph.D. student, Mingyi Wang, som leder ett stort samarbetsteam, belyser ett sätt att nya partiklar bildas i den övre troposfären. Studien, publicerad i Nature , avslöjar en oväntad flyktig reaktion mellan salpetersyra, svavelsyra och ammoniak, som synergistiskt skapar nya partiklar i snabb takt. Fynden tyder på att det förutom koldioxid finns andra föreningar som behöver uppmärksamhet och reglering.
Förekomsten av ammoniak upptäcktes först i den övre troposfären 2016 med hjälp av analys av medelvärde för MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) infraröda extremitetsutsläppsspektra. Forskare från Karlsruhe Institute of Technology (Tyskland), University of Colorado Boulder och Universidad Nacional Autónoma de México utförde en "CT-skanning" av atmosfären, rörde sig längs latituder och longituder, och mätte partikelkoncentrationer och sammansättningar i den övre troposfären.
Ammoniak kommer främst från jordbruk och fordon i förtätade stadsmiljöer. När forskare upptäckte föreningen i den övre troposfären blev de förvånade över hur långt den hade färdats in i atmosfären, vilket väckte frågor om hur det transporteras dit och dess effekt på partikelmassa och skapelse.
Efter att ha lärt sig om den tidigare studien, Wang, en Ph.D. student vid Carnegie Mellons institution för kemi, blev intresserad av reaktionen mellan ammoniak, salpetersyra och svavelsyra i atmosfären. I en studie från 2020, även publicerad i Nature, upptäckte Wang att under kalla förhållanden, som vinterklimatet i Peking, bidrar blandningen av dessa tre medel och kondenserar till nanometerpartiklar, vilket ökar deras massa snabbt.
Med detta fynd blev Wang nyfiken på hur denna reaktion skulle se ut i ännu kallare, mer extrema regioner, så han började designa ett experiment för att testa det i övre troposfärliknande förhållanden.
"Det finns ett mycket begränsat antal instrument tillgängliga för att identifiera de processer som skapar partiklar i den övre troposfären", säger Wang. "Vi måste förlita oss på laboratorieexperiment för att förstå vad som kan inträffa under dessa förhållanden."
För att analysera detta åkte Wang till Schweiz som medlem i CLOUD-samarbetet för att testa sitt experiment vid European Council for Research Nuclear (CERN). Med hjälp av deras kammaranläggning skapade Wang exakt kontrollerade atmosfäriska förhållanden och observerade reaktioner i realtid. När det var dags att tillsätta ammoniak till kammaren förväntade Wang att se blandningen av syror och bas kondensera på befintliga partiklar och öka deras massa, som han tidigare upptäckt. Men till sin förvåning såg han en explosion av nya partiklar bildas snabbt.
"Vad vi fann är att salpetersyran och ammoniaken är mottagliga för temperaturförändringar. När temperaturen blir kallare kan de faktiskt gå igenom gas-till-partikelomvandlingsprocessen, skapa nya partiklar och öka den totala koncentrationen av partikelantal", säger Wang.
"Detta är viktigt, särskilt i den relativt rena övre troposfären. Utsläppskällorna är begränsade där uppe. Det finns inga fabriker eller gårdar, och flygplan tros utgöra de flesta av föroreningarna i det här området. Eventuella föroreningar i den övre troposfären kommer spelar en helt annan roll än de gör i gränsskiktet (den lägsta delen av troposfären, direkt påverkad av närvaron av jordytan). Temperaturen och samspelet mellan arter i var och en är också mycket olika."
Ammoniak konvekeras uppåt under händelser som den asiatiska monsunen. Eftersom ammoniak är mycket lösligt, när det passerar genom moln, börjar det lösas upp i molndroppar. Dessa droppar fryser sedan, blir iskristaller, släpper ut delar av ammoniak i atmosfären igen, och producerar partiklar som kan spridas över norra halvklotet på mitten av latituden. Kredit:Carnegie Mellon College of Engineering
I samarbete med ett antal världskända klimatforskare, inklusive Carnegie Mellon Engineering Assistant Research Professor Hamish Gordon, genomförde Wang och hans forskarkollegor globala modelleringssimuleringar, som visade hur ammoniak transporteras till den övre troposfären och senare sprids.
Dessutom har CMU Chemical Engineering Ph.D. student och medförfattare Brandon Lopez fann att även en liten mängd svavelsyra kunde förvandla partiklar till formidabla iskärnor.
Gruppen upptäckte att ammoniaken konvektioneras uppåt under händelser som den asiatiska monsunen. Eftersom ammoniak är mycket lösligt, när det passerar genom moln, börjar det lösas upp i molndroppar. Dessa droppar fryser sedan, blir till iskristaller, släpper ut delar av ammoniak igen i atmosfären och producerar partiklar som kan spridas över norra halvklotet på mitten av latituden.
"Detta fynd får oss att ifrågasätta om andra arter, såsom organiska föreningar, också kan transporteras till den övre troposfären genom denna process", sa Wang.
Wangs rådgivare, medförfattare och klimatforskare i världsklass, Neil Donahue, förklarade vikten av att förstå den möjliga uppsättningen av föreningar som kan konvektioneras och deras potentiella inverkan.
"All vetenskaplig osäkerhet kring klimatförändringar relaterar till moln på ett eller annat sätt", säger Donahue, en Thomas Lord-professor vid avdelningarna för kemi, kemiteknik och teknik och offentlig politik vid Carnegie Mellon. "För att göra moln behöver du vatten för att kärna eller frysa."
"I förorenade delar av atmosfären närmare marken, t.ex. över storstäder, finns det rikligt med ämnen och partiklar som fungerar som molnkärnor (frön), men de är ganska sällsynta i de stora områdena i den övre atmosfären. Naturen av moln kan förändras mycket beroende på typen och mängden av partiklar som finns, så att ha dessa partiklar som gör och ändrar molnsammansättningen i den övre atmosfären kan påverka klimatet avsevärt."
Minskning av koldioxid (CO2). ) utsläpp fortsätter att vara ett stort fokus för klimatforskare och lagstiftare. Medan Wang säger att minska CO2 genom att minska förbränningen av fossila bränslen kommer att bidra till att sänka flera andra föroreningar, anser han att det är absolut nödvändigt att börja utveckla regler som fokuserar specifikt på ammoniakutsläpp.
"Vi vet att vi måste minska svavel- och kväveoxidutsläppen från kolkraftverk och fordon, men nu är det uppenbart att vi bör tänka på att minska ammoniakutsläppen från fordon och jordbruk också. Det har visat sig spela en avgörande roll både i gränsskiktet, påverkar luftkvaliteten, men också i sammansättningen av den övre troposfären."
Wang, nu postdoc vid California Institute of Technology, säger att nästa steg är att utforma ytterligare studier för att avslöja om andra föreningar tar sig till den övre troposfären på liknande sätt. + Utforska vidare
