Een ontdekking door voormalig Carnegie Mellon Ph.D. student Mingyi Wang, die een groot samenwerkend team leidt, werpt licht op een manier waarop nieuwe deeltjes worden gevormd in de bovenste troposfeer. De studie, gepubliceerd in Nature , onthult een onverwachte vluchtige reactie tussen salpeterzuur, zwavelzuur en ammoniak, waarbij synergetische nieuwe deeltjes in een hoog tempo worden gecreëerd. De bevindingen suggereren dat er naast koolstofdioxide andere verbindingen zijn die aandacht en regulering behoeven.

De aanwezigheid van ammoniak werd voor het eerst ontdekt in de bovenste troposfeer in 2016 met behulp van de analyse van gemiddelde MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) infrarood ledemaatemissiespectra. Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (Duitsland), University of Colorado Boulder en Universidad Nacional Autónoma de México voerden een "CT-scan" van de atmosfeer uit, waarbij ze langs breedte- en lengtegraden bewogen en deeltjesconcentraties en composities in de bovenste troposfeer meten.

Ammoniak wordt voornamelijk verkregen uit landbouw en voertuigen in gecondenseerde stadsomgevingen. Toen wetenschappers de verbinding in de bovenste troposfeer ontdekten, waren ze verrast door hoe ver het de atmosfeer in was gereisd, wat vragen opriep over hoe het daarheen werd getransporteerd en het effect ervan op de massa en creatie van deeltjes.

Na het leren over de voormalige studie, Wang, een Ph.D. student in Carnegie Mellon's Department of Chemistry, raakte geïnteresseerd in de reactie tussen ammoniak, salpeterzuur en zwavelzuur in de atmosfeer. In een studie uit 2020, ook gepubliceerd in Nature, ontdekte Wang dat in koude omstandigheden, zoals die van het winterklimaat in Peking, het mengsel van deze drie middelen bijdraagt ​​en condenseert op nanometerdeeltjes, waardoor hun massa snel toeneemt.

Met deze bevinding werd Wang nieuwsgierig naar hoe deze reactie eruit zou zien in nog koudere, extremere regio's, dus begon hij een experiment te ontwerpen om het te testen in hogere troposfeerachtige omstandigheden.

"Er is een zeer beperkt aantal instrumenten beschikbaar om de processen te identificeren die deeltjes in de bovenste troposfeer creëren," zei Wang. "We moeten vertrouwen op laboratoriumexperimenten om te begrijpen wat er onder die omstandigheden kan gebeuren."

Om dit te analyseren, ging Wang naar Zwitserland als lid van de CLOUD-samenwerking om zijn experiment te testen bij de European Council for Research Nuclear (CERN). Met behulp van hun kamerfaciliteit creëerde Wang nauwkeurig gecontroleerde atmosferische omstandigheden en observeerde hij reacties in realtime. Toen het tijd was om ammoniak aan de kamer toe te voegen, verwachtte Wang dat het mengsel van zuren en base op bestaande deeltjes zou condenseren en hun massa zou vergroten, zoals hij eerder had ontdekt. Tot zijn verbazing zag hij echter snel een uitbarsting van nieuwe deeltjes ontstaan.

"Wat we ontdekten, is dat salpeterzuur en ammoniak gevoelig zijn voor temperatuurveranderingen. Wanneer de temperatuur kouder wordt, kunnen ze daadwerkelijk door het gas-naar-deeltjesconversieproces gaan, waardoor nieuwe deeltjes worden gecreëerd en de totale deeltjesaantalconcentratie toeneemt," zei Wang.

"Dit is belangrijk, vooral in de relatief schone bovenste troposfeer. De emissiebronnen zijn daar beperkt. Er zijn geen fabrieken of boerderijen en men denkt dat vliegtuigen de meeste verontreinigende stoffen in dit gebied vormen. Alle verontreinigende stoffen in de bovenste troposfeer zullen spelen een heel andere rol dan in de grenslaag (het laagste deel van de troposfeer, direct beïnvloed door de aanwezigheid van het aardoppervlak). De temperatuur en het samenspel tussen soorten in elk zijn ook heel verschillend."

In samenwerking met een aantal wereldberoemde klimaatwetenschappers, waaronder Carnegie Mellon Engineering Assistant Research Professor Hamish Gordon, voerden Wang en zijn collega-onderzoekers wereldwijde modelleringssimulaties uit, die aantoonden hoe ammoniak naar de bovenste troposfeer wordt getransporteerd en later wordt verspreid.

Bovendien, CMU Chemical Engineering Ph.D. student en co-auteur Brandon Lopez ontdekte dat zelfs een kleine hoeveelheid zwavelzuur deeltjes in formidabele ijskernen kan veranderen.

De groep ontdekte dat de ammoniak naar boven wordt geconvecteerd tijdens evenementen zoals de Aziatische moesson. Omdat ammoniak zeer oplosbaar is, begint het op te lossen in wolkendruppels als het door wolken gaat. Deze druppeltjes bevriezen dan en worden ijskristallen, waarbij delen van ammoniak opnieuw in de atmosfeer vrijkomen en deeltjes produceren die zich over het noordelijk halfrond op de middelste breedtegraad kunnen verspreiden.

"Deze bevinding brengt ons tot de vraag of andere soorten, zoals organische verbindingen, ook via dit proces naar de bovenste troposfeer kunnen worden getransporteerd", zei Wang.

Wang's adviseur, co-auteur en klimaatwetenschapper van wereldklasse, Neil Donahue, legde uit hoe belangrijk het is om de mogelijke reeks verbindingen die kunnen worden geconvecteerd en hun potentiële impact te begrijpen.

"Alle wetenschappelijke onzekerheid rond klimaatverandering heeft op de een of andere manier te maken met wolken", zegt Donahue, een Thomas Lord-hoogleraar in de afdelingen Chemie, Chemische Technologie en Engineering en Openbaar Beleid van Carnegie Mellon. "Om wolken te maken, heb je water nodig om te kiemen of te bevriezen."

"In vervuilde delen van de atmosfeer dichter bij de grond, zoals die boven grote steden, zijn de agentia en deeltjes die fungeren als wolkenkernen (zaden) overvloedig, maar ze zijn vrij zeldzaam in de uitgestrekte gebieden van de bovenste atmosfeer. De natuur van wolken kan veel veranderen, afhankelijk van het type en de hoeveelheid aanwezige deeltjes, dus het maken van deze deeltjes en het veranderen van de wolkensamenstelling in de bovenste atmosfeer kan een aanzienlijke impact hebben op het klimaat."

Vermindering van kooldioxide (CO₂ ) uitstoot blijft een belangrijk aandachtspunt van klimaatwetenschappers en wetgevers. Terwijl Wang zegt CO₂ te verminderen door de verbranding van fossiele brandstoffen te verminderen, zal hij verschillende andere verontreinigende stoffen helpen verminderen, hij gelooft dat het absoluut noodzakelijk is om regelgeving te ontwikkelen die specifiek is gericht op ammoniakemissies.

"We weten dat we de zwavel- en stikstofoxide-emissies van kolencentrales en voertuigen moeten verminderen, maar nu is het duidelijk dat we ook moeten nadenken over het verminderen van de ammoniakemissies van voertuigen en landbouw. ​​Het blijkt een cruciale rol te spelen, zowel in de grenslaag, invloed op de luchtkwaliteit, maar ook op de samenstelling van de bovenste troposfeer."

Wang, nu een postdoc aan het California Institute of Technology, zegt dat de volgende stap is om aanvullende onderzoeken te ontwerpen om te ontdekken of andere verbindingen op een vergelijkbare manier de bovenste troposfeer bereiken. + Verder verkennen

Een nieuwe manier ontdekken waarop aerosolen zich snel vormen en groeien op grote hoogte