Trots det framträdande hälsohotet som föroreningar med fina partiklar utgör, grundläggande aspekter av dess bildande och utveckling fortsätter att gäcka forskare.

Detta gäller särskilt för den organiska fraktionen av fina partiklar (även kallad aerosol), mycket som bildas när organiska gaser oxideras av atmosfären. Datormodeller underförutsäger denna så kallade "sekundära" organiska aerosol (SOA) i jämförelse med fältmätningar, vilket indikerar att modellerna antingen saknar några viktiga källor eller misslyckas med att beskriva de fysiska processer som leder till SOA-bildning.

Ny forskning från Carnegie Mellon University i samarbete med National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) kastar ljus över en underskattad källa till SOA som kan hjälpa till att täppa till detta gap mellan modellmätningar. Publicerad i Miljövetenskap och teknik , studien visar att flyktiga organiska föreningar (VOC) som inte traditionellt setts in kan bidra lika mycket eller mer till urban SOA som länge svarat för källor som fordonsutsläpp och andade gaser från trädens löv.

"Vårt experiment visar att i områden där du har mycket folk, du kan bara förklara ungefär hälften av den SOA som ses i fält med de traditionella utsläppen från fordon och träd, sa Albert Presto, en professor i maskinteknik och studiens motsvarande författare. "Vi tillskriver den andra hälften till dessa icke-traditionella VOC."

Under 2018, forskare från NOAA gjorde ett stänk i tidskriften Vetenskap när de beskrev hur icke-traditionella VOC representerar hälften av alla VOC i den urbana atmosfären i amerikanska städer. Icke-traditionella VOC kommer från en mängd olika kemikalier, industrier, och hushållsprodukter, inklusive bekämpningsmedel, beläggningar och färger, rengöringsmedel, och även personliga vårdprodukter som deodoranter. Sådana produkter innehåller vanligtvis organiska lösningsmedel vars avdunstning leder till betydande utsläpp av flyktiga organiska föreningar i atmosfären.

"Det är många vardagliga saker som vi använder, ", sa Presto. "Allt du använder som är doftande innehåller organiska molekyler, som kan komma ut i atmosfären och reagera" där det kan bilda SOA.

Prevalensen av dessa VOC representerar ett paradigmskifte i den urbana SOA-bilden. Transportsektorn hade länge varit den dominerande källan till VOC i stadsluften, men fordonsutsläppen i USA har minskat drastiskt (upp till 90 %) på grund av avgasföreskrifter under de senaste decennierna, även när bränsleförbrukningen har ökat. När transportrelaterade VOC har bleknat i framträdande plats, icke-traditionella flyktiga organiska föreningar har börjat utgöra ett större relativt bidrag till den urbana atmosfären. Medan NOAA:s forskning uppmärksammade atmosfärsvetenskapssamhället på omfattningen av icke-traditionella VOC i stadsmiljöer, de kunde bara anta att dessa gaser sannolikt var viktiga för SOA-bildning; idén behövde fortfarande testas.

Att testa hur mycket SOA som bildas av dessa är inte en lätt uppgift, dock. SOA-bildning i atmosfären utspelar sig under flera dagar, vilket gör det svårt att spåra färden av emitterade gaser eftersom de sprids av vindar och börjar reagera med solljus och andra oxidanter.

Rishabh Shah, en doktorand som studerade med Presto och nu arbetar på NOAA, konstruerade en reaktor för att utvärdera den fulla potentialen för SOA-bildning inom ett luftprov utan att behöva spåra den luften över tid.

"Reaktorn är ungefär som en app på din smartphone för SOA-bildning, sa Shah. "Du tar din bild och appen visar dig hur du skulle se ut om ett decennium."

Reaktorn accelererar den slingrande resa en gas tar genom att bombardera den med oxidanter i mycket högre koncentrationer än vad som finns i atmosfären. Detta simulerar fysiskt på bara några sekunder alla reaktioner som en gasmolekyl utsätts för i atmosfären under loppet av en vecka. Om bara ett ögonblick, Shahs reaktor kan utvärdera den fulla potentialen hos luften den tar för att bilda SOA.

Teamet monterade sin reaktor i en skåpbil, skapa en mobil plattform från vilken de kunde få tillgång till luft från olika inställningar som innehåller olika nivåer av icke-traditionella VOC. Dessa platser inkluderade platser i vinden från en stor industrianläggning, bredvid en byggarbetsplats, i de djupa "gatukanjonerna" skapade av skyskraporna i en stadskärna, och bland låghus i en stadsdel.

På platser med stora mängder icke-traditionella flyktiga organiska föreningar, reaktorn bildade stora mängder SOA. Dessa platser inkluderade både gatukajoner i centrum och bland de urbana låghusen, både platser där avdunstning av konsumentprodukter som deodoranter och balsam är hög, speciellt på morgonen. Avancerade gasanalysatorer ombord på den mobila plattformen gjorde det möjligt för teamet att upptäcka förekomsten av många av dessa icke-traditionella VOC.

Viktigt, på dessa platser kunde de senaste datormodellerna inte förutsäga hela mängden SOA de observerade i sin reaktor. Dock, i andra miljöer med färre icke-traditionella flyktiga organiska föreningar, modellen kunde exakt förutsäga hur mycket SOA som bildades i reaktorn.

Tillsammans, dessa bevis utgör ett övertygande argument för att icke-traditionella VOC-utsläpp är ansvariga för en betydande mängd urban SOA. Presto uppskattar att dessa icke-traditionella utsläpp har ungefär samma bidrag som transporter och biosfärutsläpp tillsammans, i linje med den hypotes som NOAA lagt fram.

"Traditionellt, vi har fokuserat mycket på kraftverk och fordon för luftkvalitet, som har blivit mycket renare i USA." sa Presto. "Vad det betyder är att nu, en betydande del av SOA kommer från denna andra 'vardagliga, överallts kategori som inte har beaktats förrän nyligen."