Kredit:CC0 Public Domain
Aerosoler i atmosfären reagerar på infallande solljus. Detta ljus förstärks i det inre av aerosoldroppar och -partiklar, vilket påskyndar reaktioner. ETH-forskare har nu kunnat påvisa och kvantifiera denna effekt och rekommendera att inkludera den i framtida klimatmodeller.
Vätskedroppar och mycket fina partiklar kan fånga ljus - liknande hur ljus kan fångas mellan två speglar. Som ett resultat förstärks intensiteten av ljuset inuti dem. Detta sker även i mycket fina vattendroppar och fasta partiklar i vår atmosfär, det vill säga aerosoler. Med hjälp av modern röntgenmikroskopi har kemister vid ETH Zürich och Paul Scherrer Institute (PSI) undersökt hur ljusförstärkning påverkar fotokemiska processer som äger rum i aerosolerna. De kunde visa att ljusförstärkning gör att dessa kemiska processer i genomsnitt är två till tre gånger snabbare än de skulle vara utan denna effekt.
Med hjälp av den schweiziska ljuskällan vid PSI studerade forskarna aerosoler som består av små partiklar av järn(III)citrat. Exponering för ljus reducerar denna förening till järn(II)citrat. Röntgenmikroskopi gör det möjligt att särskilja områden inom aerosolpartiklarna som består av järn(III)citrat från de som består av järn(II)citrat ned till en precision av 25 nanometer. På detta sätt kunde forskarna observera och kartlägga i hög upplösning den tidsmässiga sekvensen av denna fotokemiska reaktion i individuella aerosolpartiklar.
Sönderfall vid exponering för ljus
"För oss var järn(III)citrat en representativ förening som var lätt att studera med vår metod", säger Pablo Corral Arroyo, postdoc i gruppen som leds av ETH-professor Ruth Signorell och huvudförfattare till studien. Järn(III)citrat står för en hel rad andra kemiska föreningar som kan förekomma i atmosfärens aerosoler. Många organiska och oorganiska föreningar är ljuskänsliga och när de utsätts för ljus kan de brytas ner till mindre molekyler som kan vara gasformiga och därför fly. "Aerosolpartiklarna förlorar massa på detta sätt och ändrar deras egenskaper," förklarar Signorell. Bland annat sprider de solljuset olika, vilket påverkar väder- och klimatfenomen. Dessutom förändras deras egenskaper som kondensationskärnor i molnbildning.
Resultaten har därför också effekt på klimatforskningen. "Nuvarande datormodeller av global atmosfärisk kemi tar ännu inte hänsyn till denna ljusförstärkningseffekt", säger ETH-professor Signorell. Forskarna föreslår att man införlivar effekten i dessa modeller i framtiden.
Olika reaktionstider i partiklarna
Nu exakt kartlagd och kvantifierad sker ljusförstärkningen i partiklarna genom resonanseffekter. Ljusintensiteten är störst på sidan av partikeln mitt emot den som ljuset lyser på. "I denna hotspot är fotokemiska reaktioner upp till tio gånger snabbare än de skulle vara utan resonanseffekten", säger Corral Arroyo. Genomsnittligt över hela partikeln ger detta en acceleration med ovan nämnda faktor på två till tre. Fotokemiska reaktioner i atmosfären varar vanligtvis flera timmar eller till och med dagar.
Med hjälp av data från deras experiment kunde forskarna skapa en datormodell för att uppskatta effekten på en rad andra fotokemiska reaktioner av typiska aerosoler i atmosfären. Det visade sig att effekten inte bara gäller järn(III)citratpartiklar, utan alla aerosoler – partiklar eller droppar – gjorda av föreningar som kan reagera med ljus. Och dessa reaktioner är också två till tre gånger snabbare i genomsnitt.
Forskningen publicerades i Science . + Utforska vidare
