Синергический HNO3
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.