Синергический HNO3 - Юньнаньская компания обогревателей для банкоматов, ООО

Nature, том 605, страницы 483–489 (2022 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

13 цитат

215 Альтметрика

Подробности о метриках

Образование новых частиц в верхней свободной тропосфере является основным глобальным источником ядер конденсации облаков (CCN)1,2,3,4. Однако пары прекурсора, которые стимулируют этот процесс, до конца не изучены. С помощью экспериментов, проведенных в условиях верхней тропосферы в камере CERN CLOUD, мы показываем, что азотная кислота, серная кислота и аммиак образуют частицы синергетически, со скоростью, которая на порядки выше, чем скорость образования любых двух из трех компонентов. Важность этого механизма зависит от наличия аммиака, который, как ранее считалось, эффективно удаляется облачными каплями во время конвекции. Однако неожиданно высокие концентрации аммиака и нитрата аммония недавно наблюдались в верхних слоях тропосферы над азиатским регионом муссонов5,6. После того, как частицы сформировались, одной лишь совместной конденсации аммиака и обильной азотной кислоты достаточно, чтобы обеспечить быстрый рост до размеров CCN при наличии лишь следов сульфата. Более того, наши измерения показывают, что эти CCN также являются высокоэффективными частицами зародышеобразования льда — сравнимыми с пустынной пылью. Наше модельное моделирование подтверждает, что аммиак эффективно конвектируется вверх во время азиатского муссона, вызывая быстрое многокислотное зарождение HNO3-H2SO4-NH3 в верхней тропосфере и производя зародышеобразующие частицы льда, которые распространяются по средним широтам Северного полушария.

Интенсивное образование частиц наблюдалось при измерениях с воздуха как постоянная полоса глобального масштаба в верхней тропосфере над тропическими конвективными областями1,2,4. Считается, что зарождение верхней тропосферы обеспечивает по меньшей мере одну треть глобального количества CCN3. Увеличение количества аэрозолей после промышленной революции и их взаимодействие с облаками замаскировали значительную часть глобального радиационного воздействия парниковых газов. Прогнозы радиационного воздействия аэрозолей в результате будущего сокращения загрязнения воздуха весьма неопределенны7. В настоящее время нуклеация происходит с участием серной кислоты (H2SO4) почти во всей тропосфере8. Однако бинарная нуклеация H2SO4–H2O происходит медленно, и поэтому тройная или многокомпонентная нуклеация с дополнительными парами, такими как аммиак (NH3)9 и органика10,11, необходима для объяснения наблюдаемых скоростей образования новых частиц3,8,12.

Аммиак стабилизирует кислотно-основную нуклеацию и значительно увеличивает скорость образования частиц9. Однако считается, что аммиака крайне мало в верхних слоях тропосферы, поскольку его растворимость в воде и реакционная способность с кислотами должны привести к эффективному удалению в конвективных облаках. Однако это предположение не подтверждается наблюдениями. Пары аммиака неоднократно обнаруживались в верхней тропосфере азиатских муссонов с коэффициентами смешения до 30 частей на тв (2,5 × 108 см-3) в среднем за три месяца5 и до 1,4 частей на миллиард (1,2 × 1010 см-3) в горячих точках6 . Выброс растворенного аммиака из облачных капель может происходить во время оледенения13. Попав в верхнюю тропосферу, аммиак может образовывать частицы с азотной кислотой, которая в большом количестве вырабатывается молниями14,15. Эти частицы будут жить дольше и перемещаться дальше, чем пары аммиака, и потенциально могут повлиять на всю верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу Северного полушария6.

Остаются фундаментальные вопросы о роли и механизмах азотной кислоты и аммиака в формировании частиц верхней тропосферы. Недавние эксперименты CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) в ЦЕРН показали, что пары азотной кислоты и аммиака при температуре ниже 278 К могут конденсироваться на вновь образованных частицах размером всего в несколько нанометров в диаметре, что приводит к быстрому росту до размеров CCN16. При еще более низких температурах (ниже 258 К) азотная кислота и аммиак могут непосредственно зародышеобразовывать с образованием частиц нитрата аммония, хотя зародышеобразование чистой HNO3–NH3 происходит слишком медленно, чтобы конкурировать с зародышеобразованием H2SO4–NH3 в сопоставимых условиях. Однако результаты, которые мы представляем здесь, показывают, что когда присутствуют все три пара, синергетическое взаимодействие приводит к увеличению скорости нуклеации на порядки величины, чем от любых двух из трех компонентов. После зарождения по этому многокислотно-аммиачному механизму частицы могут быстро расти за счет совместной конденсации только NH3 и HNO3, которых в верхних слоях тропосферы может быть гораздо больше, чем H2SO4.

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. A microphysical model reproduces the main features of the observed particle formation (dashed lines; see text for details). b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. Sulfuric acid through SO2 oxidation started to appear soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 2.3 × 106 cm−3 after a wall-loss-rate timescale of around 10 min. The subsequent H2SO4–NH3 nucleation led to a relatively slow formation rate of 1.7-nm particles. The particles did not grow above 2.5 nm because of their slow growth rate and corresponding low survival probability against wall loss. Following injection of 2.0 × 109 cm−3 nitric acid into the chamber after 115 min, while leaving the production rate of sulfuric acid and the injection rate of ammonia unchanged, we observed a sharp increase in particle formation rate (panel b), together with rapid particle growth of 40 nm h−1 (panel c). The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. We started the experiment by oxidizing NO2 to produce 1.6 × 109 cm−3 HNO3 in the presence of about 6.5 × 108 cm−3 ammonia. At time = 0 min, we turned off the high-voltage clearing field to allow the ion concentration to build up to a steady state between GCR production and wall deposition. The presence of ions (GCR condition) induces slow HNO3–NH3 nucleation, followed by relatively fast particle growth by nitric acid and ammonia condensation. We thus observe formation of both 1.7-nm and 2.5-nm particles by about one order of magnitude in about 3.5 h, with a slower approach to steady state because of the longer wall deposition time constant for the larger particles. Then, we increased H2SO4 in the chamber from 0 to 4.9 × 106 cm−3 by oxidizing progressively more injected SO2 after 211 min, with a fixed production rate of nitric acid and injection rate of ammonia. Subsequently, particle concentrations increase by three orders of magnitude within 30 min. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively; gas-phase ammonia versus time, calculated with a first-order wall-loss rate. Before the experiment, we cleaned the chamber by rinsing the walls with ultra-pure water, followed by heating to 373 K and flushing at a high rate with humidified synthetic air for 48 h. We started with an almost perfectly clean chamber and only HNO3, SO2 and O3 vapours present at constant levels. Sulfuric acid starts to appear by means of SO2 oxidation soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 5.0 × 106 cm−3 with the wall-loss timescale of about 10 min. Subsequently, we observe slow formation of 1.7-nm particles, yet they do not reach 2.5 nm during the course of a 2-h period with small growth rates and low survival probability. Then, owing to the injection of ammonia from 0 to around 6.5 × 108 cm−3 into the chamber after 80 min, a sharp increase in the rate of particle formation is observed with a fixed production rate of sulfuric acid and injection rate of nitric acid. The sulfuric acid concentration decreases slightly afterwards, owing to accumulated condensation sink from fast particle growth. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>