Flerfasbuffrande effekt av emitterad ammoniak styr aerosolens pH, och därigenom påverka grumlingskemin och bildandet av aerosolpartiklar, speciellt nitrat, sulfat och ammonium. Det visar en nära koppling mellan kvävets kretslopp och atmosfärisk kemi. Bilden visar en disig dag i Guangzhou, Kina. Kredit:Ulrich Poeschl, MPI för kemi
Aerosoler är små fasta eller flytande partiklar suspenderade i luften. De påverkar klimatet genom att absorbera eller sprida solljus och fungera som molnkondensationskärnor. Dessutom, de kan påverka människors välbefinnande genom negativa hälsoeffekter av fina partiklar.
En stor del av partiklarna består av nitrat, sulfat, och ammoniumjoner. Bildandet av dessa viktiga aerosolkomponenter påverkas starkt av aerosolens surhet, som varierar kraftigt mellan olika regioner med aerosol pH-värden som sträcker sig från ~1 till ~6. Drivkrafterna för dessa stora variationer, dock, är inte klara.
Forskare har nu upptäckt hur viktig vattenhalten och den totala masskoncentrationen av aerosolpartiklar är för deras surhet. Ett team ledd av Yafang Cheng och Hang Su från Max Planck Institute for Chemistry upptäckte att dessa faktorer kan vara ännu viktigare än den torra partikelsammansättningen. För befolkade kontinentala områden med höga antropogena utsläpp av ammoniak från jordbruket, trafik, och industri, de fann att aerosolens pH effektivt kan buffras och stabiliseras på olika nivåer av det konjugerade syra-basparet av ammoniumjoner och ammoniak (NH) 4 +/NH 3 ).
Undersökningarna publiceras nu i den tvärvetenskapliga forskningstidskriften Vetenskap började med frågan om och hur aerosolers pH buffras i olika kontinentala regioner. För att lösa detta problem, forskarna från Mainz utvecklade en ny teori om flerfasbuffring i aerosoler, analyserade atmosfäriska mätdata och utförde globala modellsimuleringar av aerosolsammansättning och surhet.
"Det visade sig att syra-basparet NH 4 +/NH 3 buffrar aerosolens pH över de mest befolkade kontinentala områdena, även om surheten kan variera med flera pH-enheter", säger Yafang Cheng, Minerva forskningsgruppledare vid Max Planck Institute for Chemistry. "Variationer i vatteninnehåll är ansvariga för 70-80 procent av den globala variationen i aerosol-pH i ammoniakbuffrade regioner, som inte var tidigare känt och kan förklaras av vår nya flerfasbuffertteori, " tillägger hon.
Särskilt, Max Planck-forskarna använde sin modell för att jämföra aerosolens sammansättning och surhet för två mycket olika geografiska regioner och förhållanden. I sydöstra USA under sommaren, luften är ren, och de få atmosfäriska aerosolpartiklarna innehåller lite vatten vid pH-värden runt ~1, medan det vanligtvis finns höga aerosolkoncentrationer med högt vatteninnehåll vid pH-värden runt ~5 över norra Kinaslätten på vintern. "Vi finner att dessa stora skillnader i aerosol-pH främst beror på skillnader i aerosolbelastning och vattenhalt snarare än skillnader i nitrathalt som antagits i tidigare studier, " förklarar Guangjie Zheng, en postdoc i Yafang Chengs grupp.
"Globalt sett ~70 % av stadsområdena är i den ammoniakbuffrade regimen", sammanfattar Hang Su, vetenskaplig gruppledare vid institutets flerfaskemiska avdelning. "Således, den nyupptäckta flerfasbuffertmekanismen är viktig för att förstå disbildning och aerosoleffekter på människors hälsa och klimat i antropocen."
Resultaten från teamet kring Cheng och Su antyder inte bara att aerosolens pH och atmosfärisk flerfaskemi påverkas starkt av den genomgripande mänskliga påverkan på ammoniakutsläpp och kvävecykeln i antropocen. De förbättrar också förståelsen för hur luftföroreningar utvecklas och ger därmed ett viktigt tillvägagångssätt för eventuella kontrollåtgärder.
