Naturligt förekommande skogsbränder skapar stora rökplymer som transporteras flera hundra mil bort i atmosfären och utsätter många människor för föroreningar som påverkar folkhälsan.

Varje år, tusentals hektar mark uppslukas av skogsbränder över hela världen. Bara under de tre första kvartalen 2020, mer än 2,6 miljoner hektar i västra USA har förbrukats av bränder. Som biomassan i träd, buskar, gräs, och torv bränns, stora mängder rök, sot, och andra föroreningar släpps ut i atmosfären. Röken kan sedan stiga flera kilometer på höjden och spridas över stora kontinentala regioner, förorenar luften i avlägsna områden. Till exempel, många invånare i delstaterna Kalifornien, Washington och Oregon har nyligen upplevt den dåliga luftkvaliteten av dimmig rök.

Kemiprofessor Marcelo Guzman vid University of Kentucky leder ett forskningsprojekt från National Science Foundation, som studerar hur utsläpp från förbränning av biomassa, inklusive skogsbränder, förändras med tiden i atmosfären för att skapa nya kemikalier som påverkar hälsan i samhällen och jordens klimat. Guzman, tillsammans med doktoranden Sohel Rana, noggrant studerat i laboratoriet den heterogena atmosfäriska kemin av metoxifenoler, som är bland de vanligaste molekylerna som släpps ut vid förbränning av biomassa. Teamet betonade att när metoxifenoler reagerar vid gränssnitt, t.ex. på ytan av moln- och dimvatten samt aerosolpartiklar från föroreningar, elektron- och protonöverföringsprocesser gynnas för att snabbt omvandla aromatiska molekyler till mycket vattenlösliga produkter.

"När man tittar på mekanismerna som dessa metoxifenoler utsätts för när de utsätts för ozongas i bakgrunden och fria hydroxylradikaler under atmosfärisk transport, du kan börja förklara den vanliga observationen av multifunktionella karboxylsyror som rikliga arter i många partiklar i luften vi andas. Rapporten identifierar unika reaktionskanaler som kan användas för att särskilja bidraget från atmosfärisk bearbetning av biomassaförbränningsutsläpp från andra möjliga källor till multifunktionella karboxylsyror, sa prof. Guzman. "Arbetet är inte bara i grunden intressant utan identifierar specifika signaturer för omvandlingen av metoxifenoler under dagtid som släpps ut från skogsbränder när de åldras i atmosfären."

Att göra detta, forskarna har använt ett speciellt instrument i laboratoriet som replikerar den snabba reaktionen mellan metoxifenolmarkörerna för förbränning av biomassa och ozongas i gränsytan mellan luft och vattendroppar av mikrometerstorlek. De varierar sedan koncentrationerna och surheten i experimenten för att se hur gränsytskemin förändras för olika förhållanden som uppstår i miljön.

"Vi försöker förstå de dominerande omvandlingarna av metoxifenolerna från rök i atmosfären, bestämma deras livstid, och fastställa hur de kemiskt utvecklas vid gränssnitt, sa prof. Guzman. "Vi vill bidra med ny förståelse för deras effekter på människors hälsa och klimat. Är de åldrade molekylerna giftigare? Hur bidrar de strukturella förändringarna av molekylerna till att skapa partiklar som interagerar med solljus som påverkar klimatet?

En viktig upptäckt av arbetet är att material som frigörs från skogsbränder kan bli mer vattenlösligt och sannolikt giftigt under de två veckor som rök kan transporteras i atmosfären. I luften reagerar metoxifenolerna i röken med ozon och hydroxylradikaler för att bli oxiderade och mycket reaktiva. En person som andas in dessa reaktiva föreningar kan drabbas av oxidativ skada på celler, speciellt i andningsvägarna och lungorna. Dessutom, dessa reaktiva föreningar kan göra vissa människor mer benägna att få andra hälsoproblem.

Prof. Guzman konstaterar också att karakterisering av den kemiska bearbetningen av föroreningar från skogsbränder och hushållsvedeldning kan bidra till att avgöra om det så kallade bruna kolet i sot som släpps ut från bränder bidrar till att absorbera mer värme från solen eller inte. "Medan de många små molekylerna i brunt kol snabbt kan fotoblekas, de större molekylerna är mycket mer resistenta, möjligen bidra till att värma upp atmosfären, ' han sa.