Aerosolen zijn kleine vaste of vloeibare deeltjes die in de lucht zweven. Ze beïnvloeden het klimaat door zonlicht te absorberen of te verstrooien en dienen als condensatiekernen in de wolken. Bovendien, ze kunnen het menselijk welzijn beïnvloeden door nadelige gezondheidseffecten van fijnstof.

Een groot deel van fijnstof bestaat uit nitraat, sulfaat, en ammoniumionen. De vorming van deze belangrijke aerosolcomponenten wordt sterk beïnvloed door de zuurgraad van de aerosol, die sterk varieert tussen verschillende regio's met aërosol-pH-waarden variërend van ~1 tot ~6. De drijfveren van deze grote variaties, echter, zijn niet duidelijk.

Onderzoekers hebben nu ontdekt hoe belangrijk het watergehalte en de totale massaconcentratie van aerosoldeeltjes zijn voor hun zuurgraad. Een team onder leiding van Yafang Cheng en Hang Su van het Max Planck Institute for Chemistry ontdekte dat deze factoren zelfs belangrijker kunnen zijn dan de samenstelling van de droge deeltjes. Voor bevolkte continentale gebieden met hoge antropogene emissies van ammoniak door de landbouw, verkeer, en industrie, ze ontdekten dat de pH van aërosol efficiënt kan worden gebufferd en gestabiliseerd op verschillende niveaus door het geconjugeerde zuur-basepaar van ammoniumionen en ammoniak (NH ₄ +/NH ₃ ).

De onderzoeken die nu zijn gepubliceerd in het interdisciplinaire onderzoekstijdschrift Wetenschap begon met de vraag of en hoe de pH van aerosolen wordt gebufferd in verschillende continentale regio's. Om dit probleem aan te pakken, de wetenschappers uit Mainz ontwikkelden een nieuwe theorie van meerfasenbuffering in aerosolen, analyseerde atmosferische meetgegevens en voerde globale modelsimulaties uit van aerosolsamenstelling en zuurgraad.

"Het bleek dat het zuur-basepaar NH ₄ +/NH ₃ buffert de aërosol-pH over de meest bevolkte continentale gebieden, hoewel de zuurgraad kan variëren met meerdere pH-eenheden", zegt Yafang Cheng, Minerva Research Group leider bij het Max Planck Instituut voor Chemie. "Variaties in het watergehalte zijn verantwoordelijk voor 70-80 procent van de wereldwijde variabiliteit in de pH van de aerosol in gebieden met ammoniakbuffers, die niet eerder bekend was en kan worden verklaard door onze nieuwe meerfasenbuffertheorie, " zij voegt toe.

Vooral, de Max Planck-onderzoekers gebruikten hun model om aerosolsamenstelling en zuurgraad te vergelijken voor twee zeer verschillende geografische regio's en omstandigheden. In het zuidoosten van de Verenigde Staten tijdens de zomer, de lucht is schoon, en de weinige atmosferische aërosoldeeltjes bevatten weinig water bij pH-waarden rond ~ 1, terwijl er in de winter over de Noord-Chinese vlakte typisch hoge aerosolconcentraties zijn met een hoog watergehalte bij pH-waarden van ongeveer ~5. "We vinden dat deze grote verschillen in aërosol-pH voornamelijk te wijten zijn aan verschillen in aërosolbelading en watergehalte in plaats van verschillen in het nitraatgehalte zoals aangenomen in eerdere studies, " legt Guangjie Zheng uit, een postdoc in de groep van Yafang Cheng.

"Globaal, ~70% van de stedelijke gebieden bevindt zich in het ammoniak-gebufferde regime", vat Hang Su samen, wetenschappelijk groepsleider bij de afdeling Multiphase Chemistry van het instituut. "Dus, het nieuw ontdekte meerfasige buffermechanisme is belangrijk om de vorming van nevel en aërosoleffecten op de menselijke gezondheid en het klimaat in het antropoceen te begrijpen."

De resultaten van het team rond Cheng en Su impliceren niet alleen dat aërosol-pH en atmosferische meerfasenchemie sterk worden beïnvloed door de alomtegenwoordige menselijke invloed op ammoniakemissies en de stikstofcyclus in het Antropoceen. Ze verbeteren ook het inzicht in hoe luchtverontreiniging zich ontwikkelt en bieden zo een belangrijke aanpak voor mogelijke beheersmaatregelen.