Большой вклад ископаемых

Apr 29, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5115 (2022) Цитировать эту статью

4655 Доступов

8 цитат

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Неполное понимание источников вторичных органических аэрозолей (SOA) приводит к большой неопределенности как в управлении качеством воздуха, так и в оценке изменения климата. Химические реакции, происходящие в водной фазе атмосферы, представляют собой важный источник массы SOA, однако влияние антропогенных выбросов на водную SOA (aqSOA) недостаточно ограничено. Здесь мы используем специфичные для соединения двухуглеродные изотопные отпечатки пальцев (δ13C и Δ14C) доминирующих молекул aqSOA, таких как щавелевая кислота, для отслеживания источников предшественников и механизмов образования aqSOA. Существенное фракционирование стабильных изотопов углерода в молекулах aqSOA является убедительным доказательством необходимости обширной обработки в водной фазе. Вопреки парадигме, согласно которой эти соединения aqSOA в основном являются биогенными, распределение источников на основе радиоуглерода показывает, что ископаемые предшественники производят более половины молекул aqSOA. Большие фракции aqSOA, полученного из ископаемого топлива, вносят существенный вклад в общую нагрузку водорастворимых органических аэрозолей и, следовательно, влияют на прогнозы как качества воздуха, так и антропогенного радиационного воздействия. Наши результаты показывают важность выбросов ископаемого топлива для aqSOA, оказывающих воздействие на климат и качество воздуха.

Органический аэрозоль (ОА) является доминирующим компонентом массы мелких частиц в атмосфере1. Большая часть ОА является вторичной (СОА), образующейся в атмосфере в результате окисления газов-прекурсоров2. Большинство SOA состоят из кислородсодержащих и гигроскопичных соединений, поэтому они оказывают вредное воздействие на здоровье органов дыхания и оказывают сильное и неопределенное воздействие на атмосферное радиационное воздействие3. Однако современные глобальные модели обычно недооценивают масштабы, распределение и динамику SOA, что предполагает ограниченное понимание их источников и процессов формирования4. Все большее число модельных и экспериментальных исследований указывает на водные химические реакции, происходящие в облачных каплях и влажных аэрозолях, как на важный недостающий путь образования SOA2,3,4,5,6,7,8. Образование водной SOA (aqSOA) часто связано со смешанным воздействием антропогенных и биогенных выбросов2, 3. Степень, в которой aqSOA является контролируемой или «естественной», является важным предметом текущих исследований как по вопросам качества воздуха, так и по вопросам климата2, 3. Однако Понятные водные химические процессы и сложность антропогенно-биогенных взаимодействий затрудняют получение каких-либо однозначных выводов2.

В модельном моделировании предполагается, что aqSOA в основном происходит из природных биогенных предшественников, таких как продукты окисления изопрена3, 4, 8. Замечено, что ископаемые предшественники менее полярны и менее гидрофильны, чем биогенные предшественники, что уменьшает возможность разделения на водная фаза и последующее образование aqSOA9. Однако несколько недавних исследований в Восточной Азии показывают, что ископаемые предшественники могут существенно способствовать образованию aqSOA. Например, быстрое окисление полициклических ароматических углеводородов в водной фазе, выделяющихся при сжигании ископаемого топлива, наблюдалось в зимней дымке в Пекине и может объяснить наблюдаемую SOA10. По оценкам, основанным на радиоуглероде, ~50% водорастворимого ОА приходится на ископаемые источники в оттоке Восточной Азии11, 12, по сравнению с <30% в Европе, США и Южной Азии13,14,15,16,17,18. Тем не менее, количественная оценка вклада ископаемых веществ в образование aqSOA остается сложной задачей, в основном из-за отсутствия конкретных и надежных технических инструментов для отслеживания источников и механизма образования aqSOA в атмосферных аэрозолях.

Здесь мы используем недавнее появление специфичных для соединений двухуглеродных изотопных отпечатков (δ13C-Δ14C) молекул aqSOA19 для количественной оценки и характеристики источников aqSOA и атмосферных химических процессов. Содержание Δ14C на молекулярном уровне в трассерах aqSOA обеспечит прямое ограничение их происхождения19, тогда как отпечатки пальцев δ13C молекулярных трассеров могут дифференцировать различные атмосферные процессы/реакции20. Этот метод был применен к очищенной щавелевой кислоте и другим столь же распространенным органическим кислотам (например, глиоксиловой кислоте). Щавелевая кислота, вероятно, представляет высшую степень окисления ОА и часто использовалась в качестве индикатора водной обработки как в лабораторных, так и в полевых исследованиях21,22,23. Органические кислоты с высоким соотношением O/C (около 1–2) входят в число наиболее распространенных компонентов SOA и являются ключевыми конечными продуктами фотохимического окисления в водной фазе различных летучих органических соединений (ЛОС) и промежуточных продуктов, таких как глиоксаль (Gly ) и метилглиоксаль (MeGly) в облаках или влажных аэрозолях4, 5, 24, 25. Таким образом, эти органические кислоты могут служить в качестве характерных соединений для отслеживания путей образования aqSOA21,22,23,26.