Åttiofem procent av jordens luft finns i det lägsta lagret av dess atmosfär, eller troposfären. Ändå kvarstår stora luckor i vår förståelse av den atmosfäriska kemin som driver förändringar i troposfärens sammansättning.
En särskilt viktig kunskapslucka är bildandet och förekomsten av sekundära organiska aerosoler (SOA), som påverkar planetens strålningsbalans, luftkvalitet och människors hälsa. Men det gapet håller på att slutas – på grund av de banbrytande upptäckterna av ett internationellt team av forskare ledd av det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, Sandia National Laboratories och NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Forskarna beskriver sina resultat i en ny artikel publicerad i Nature Geosciences .
Teamet fokuserade på en klass av föreningar som kallas Criegee intermediates (CIs). Forskare misstänker att CI spelar en avgörande roll i bildandet av SOA när de kombineras via en process som kallas oligomerisering. Men ingen hade någonsin direkt identifierat de kemiska signaturerna för denna process på fältet – förrän nu.
Med hjälp av de mest avancerade metoderna som finns tillgängliga för att detektera gasfasmolekyler och aerosoler i atmosfären, gjorde teamet fältmätningar i Amazonas regnskog, ett av de mest avgörande SOA-områdena på jorden. Där fann de tydliga bevis som överensstämmer med reaktioner av en Criegee-mellanförening innehållande kol, väte och syre (CH2 OO).
"Denna upptäckt är extremt betydelsefull eftersom vi kunde göra direkta kopplingar mellan vad vi faktiskt såg på fältet, vad vi förväntade oss hände med oligomerisering av CI och vad vi kunde karakterisera i labbet och bestämma teoretiskt," förklarade Rebecca L. Caravan, biträdande kemist på Argonne och första författare på tidningen.
Dessa fältobservationer utgör bara en komponent i den innovativa vetenskap som möjliggörs av samarbetet mellan laboratorierna.
"Förutom fältmätningarna kunde vi använda världens mest avancerade experimentella metoder för att direkt karakterisera Criegee-mellanreaktionerna. Vi använde den mest avancerade teoretiska kinetiken för att förutsäga reaktioner som vi inte kan mäta direkt. Och vi drog fördel av mest avancerad global kemimodellering för att bedöma effekterna vi kan förvänta oss att oligomerisering har i troposfären baserat på den kinetiken", säger Craig A. Taatjes, en förbränningskemist på Sandia.
Denna kombination av komponenter gav några kritiskt viktiga resultat.
"Först upptäckte vi att CI-kemi kan spela en större roll för att förändra troposfärens sammansättning än vad nuvarande atmosfäriska modeller står för - förmodligen i en storleksordning", säger Carl Percival, en forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory. "För det andra producerade den uppdaterade modelleringen som vi utförde baserat på vårt arbete bara en bråkdel av de oligomeriseringssignaturer vi observerade i fält."
Detta kan betyda att CI-kemi kan driva på ännu mer omvandling inom troposfären, eller att andra, men oidentifierade kemiska mekanismer är på gång.
"Vi har fortfarande mycket arbete att göra för att helt definiera rollen för CI-reaktioner i troposfären", avslutade Caravan. "Men dessa fynd utökar avsevärt vår förståelse av en potentiellt betydelsefull väg för SOA-bildning i det viktigaste lagret av jordens atmosfär."
Mer information: R. L. Caravan et al, Observationsbevis för Criegee intermediära oligomeriseringsreaktioner som är relevanta för aerosolbildning i troposfären, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-023-01361-6
Journalinformation: Naturgeovetenskap
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
