Aerosolen in de atmosfeer reageren op invallend zonlicht. Dit licht wordt versterkt in het binnenste van de aerosoldruppels en deeltjes, waardoor reacties worden versneld. ETH-onderzoekers hebben dit effect nu kunnen aantonen en kwantificeren en bevelen aan om het in toekomstige klimaatmodellen mee te nemen.

Vloeistofdruppels en zeer fijne deeltjes kunnen licht vangen - vergelijkbaar met hoe licht tussen twee spiegels kan worden opgevangen. Als gevolg hiervan wordt de intensiteit van het licht binnenin versterkt. Dit gebeurt ook in zeer fijne waterdruppels en vaste deeltjes in onze atmosfeer, oftewel aerosolen. Met behulp van moderne röntgenmicroscopie hebben chemici van ETH Zürich en het Paul Scherrer Institute (PSI) onderzocht hoe lichtversterking de fotochemische processen beïnvloedt die plaatsvinden in de aerosolen. Ze konden aantonen dat deze chemische processen door lichtversterking gemiddeld twee tot drie keer sneller gaan dan zonder dit effect.

Met behulp van de Zwitserse lichtbron van de PSI bestudeerden de onderzoekers aerosolen bestaande uit kleine deeltjes ijzer (III) citraat. Blootstelling aan licht reduceert deze verbinding tot ijzer(II)citraat. Röntgenmicroscopie maakt het mogelijk om gebieden binnen de aërosoldeeltjes die bestaan ​​uit ijzer(III)citraat te onderscheiden van die van ijzer(II)citraat tot een nauwkeurigheid van 25 nanometer. Op deze manier waren de wetenschappers in staat om de temporele volgorde van deze fotochemische reactie in individuele aerosoldeeltjes in hoge resolutie te observeren en in kaart te brengen.

Verval bij blootstelling aan licht

"Voor ons was ijzer(III)citraat een representatieve verbinding die gemakkelijk te bestuderen was met onze methode", zegt Pablo Corral Arroyo, een postdoc in de groep onder leiding van ETH-professor Ruth Signorell en een hoofdauteur van de studie. IJzer(III)citraat staat in voor een hele reeks andere chemische verbindingen die in de aerosolen van de atmosfeer kunnen voorkomen. Veel organische en anorganische verbindingen zijn lichtgevoelig en kunnen bij blootstelling aan licht uiteenvallen in kleinere moleculen, die gasvormig kunnen zijn en daardoor kunnen ontsnappen. "De aerosoldeeltjes verliezen op deze manier massa en veranderen hun eigenschappen", legt Signorell uit. Ze verstrooien onder andere zonlicht anders, wat weer en klimaatverschijnselen beïnvloedt. Bovendien veranderen hun eigenschappen als condensatiekernen in wolkenvorming.

Zo hebben de resultaten ook effect op klimaatonderzoek. "De huidige computermodellen van de wereldwijde atmosferische chemie houden nog geen rekening met dit lichtversterkingseffect", zegt ETH-professor Signorell. De onderzoekers stellen voor om het effect in de toekomst in deze modellen op te nemen.

Niet-uniforme reactietijden in de deeltjes

Nu nauwkeurig in kaart gebracht en gekwantificeerd, komt de lichtversterking in de deeltjes tot stand door resonantie-effecten. De lichtintensiteit is het grootst aan de zijde van het deeltje tegenover de zijde waarop het licht schijnt. "In deze hotspot zijn fotochemische reacties tot tien keer sneller dan zonder het resonantie-effect", zegt Corral Arroyo. Gemiddeld over het hele deeltje geeft dit een versnelling met de bovengenoemde factor twee tot drie. Fotochemische reacties in de atmosfeer duren meestal enkele uren of zelfs dagen.

Met behulp van de gegevens van hun experiment konden de onderzoekers een computermodel maken om het effect op een reeks andere fotochemische reacties van typische aerosolen in de atmosfeer te schatten. Het bleek dat het effect niet alleen geldt voor ijzer(III)citraatdeeltjes, maar voor alle aerosolen – deeltjes of druppeltjes – gemaakt van verbindingen die kunnen reageren met licht. En deze reacties zijn ook gemiddeld twee tot drie keer sneller.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science . + Verder verkennen

Vaste aerosolen gevonden in de Arctische atmosfeer kunnen de vorming van wolken en het klimaat beïnvloeden