Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben een nieuwe methode ontwikkeld om fijnstof nauwkeuriger dan ooit te analyseren. Het gebruiken, ze weerlegden een gevestigde doctrine:dat moleculen in aërosolen geen verdere chemische transformaties ondergaan omdat ze zijn ingesloten in ander zwevend stof. In de smogkamer bij PSI, ze analyseerden chemische verbindingen rechtstreeks in aerosolen en observeerden hoe moleculen dissociëren en zo gasvormig mierenzuur in de atmosfeer vrijgaven. Deze bevindingen zullen helpen om het begrip van mondiale processen die betrokken zijn bij wolkenvorming en luchtvervuiling te verbeteren, en om de bijbehorende modellen te verfijnen. De resultaten van dit onderzoek worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

De bekende geur van een dennenbos wordt veroorzaakt door α-pineen. Dit is een van de vluchtige organische stoffen in de oliën van naaldbomen, en het komt ook voor in eucalyptus en rozemarijn. De geur roept bij de meeste mensen aangename gevoelens op. Minder prettig is dat onder invloed van radicalen, de verbinding verandert in andere verbindingen in de atmosfeer, zogenaamde sterk geoxideerde organische moleculen. Sommige hiervan zijn reactieve en deels schadelijke stoffen. Ze zijn pas onlangs onder de loep genomen door atmosferische onderzoekers, en hun rol in wolkenvorming is nog niet begrepen.

Deze sterk geoxideerde organische moleculen zijn minder vluchtig dan de uitgangsstof α-pineen en condenseren daarom gemakkelijk. Samen met stofdeeltjes en andere vaste en vloeibare stoffen in de lucht, ze vormen wat we fijnstof of aerosolen noemen.

"Tot nu toe, men dacht dat dergelijke moleculen worden beschermd tegen verdere transformaties als ze eenmaal in fijn stof zijn beland, " zegt Andre Prévôt van het Laboratorium voor Atmosferische Chemie bij PSI. "Men geloofde dat ze dan niet meer zouden veranderen, maar zou zich eenvoudig over de atmosfeer verspreiden en uiteindelijk regenen."

Deze wijdverbreide mening strookt niet met de werkelijkheid, echter, zoals Prévôt en zijn collega-onderzoekers van PSI lieten zien:"De reacties gaan door, zelfs in de fijnstof." De moleculen blijven reactief en reageren met elkaar om grotere deeltjes te vormen of dissociëren, waardoor bijvoorbeeld mierenzuur vrijkomt. Deze veel voorkomende verbinding wordt niet alleen gevonden in mieren en brandnetels, maar ook in de atmosfeer, waar het een belangrijke indicator van luchtvervuiling is.

De observaties van de PSI-onderzoekers moeten helpen om simulatiemodellen te verbeteren, zoals die voor wolkenvorming en luchtvervuiling. De modellen simuleren wat er in de atmosfeer gebeurt om te voorspellen, bijvoorbeeld, hoe een vermindering van bepaalde emissies de luchtkwaliteit zal beïnvloeden.

Van de spuitbus in het meetapparaat

Voor de eerste keer, PSI-onderzoekers analyseerden chemische verbindingen direct in fijnstof onder atmosferische omstandigheden. Voor deze, ze gebruikten de PSI-smogkamer, waarin processen in de atmosfeer kunnen worden gesimuleerd. De onderzoekers injecteerden een druppel α-pineen in de kamer en lieten de verbinding reageren met ozon. Over een periode van 15 uur, ze observeerden welke chemische verbindingen uit α-pineen ontstonden en welke daarna weer verdwenen.

Dit werd mogelijk gemaakt door een nieuw analytisch apparaat voor atmosferische metingen dat de onderzoekers ontwikkelden in samenwerking met het bedrijf Tofwerk in Thun, Zwitserland:een zogenaamde EESI-TOF (extractive electrospray ionisation time-of-flight massaspectrometer). "Het detecteert ook grotere moleculen direct in de aerosol, " legt atmosferisch chemicus Urs Baltensperger uit. "Eerdere meetmethoden, anderzijds, hak de moleculen bij hoge temperaturen in kleinere fragmenten." Het nieuwe apparaat ioniseert zonder fragmentatie. "We kunnen elk molecuul afzonderlijk opnemen."

Tofwerk heeft het toestel nu op de markt gebracht met behulp van PSI, zodat ook andere atmosferische onderzoekers van de nieuwe methode kunnen profiteren.

Metingen in Zürich

De nieuwe analysemethode kan niet alleen in het laboratorium worden gebruikt, maar ook direct ter plaatse. Tijdens de winter van 2018/19 en de zomer van 2019, PSI-onderzoekers gebruikten het om aerosolen in de lucht in Zürich te onderzoeken. Zoals later bleek, ruim een ​​derde van het fijnstof in Zürich in de zomer bestaat uitsluitend uit reactieproducten van α-pineen en soortgelijke moleculen. In de winter, echter, emissies van houtverbrandingsinstallaties en hun reactieproducten komen naar voren.

De onderzoekers hebben verdere meetcampagnes gepland in China en India. Daar willen ze analyseren welke moleculen zich vormen in de lucht van een stad met meer dan een miljoen inwoners.