Vijfentachtig procent van de lucht op aarde bevindt zich in de onderste laag van de atmosfeer, de troposfeer. Toch blijven er grote hiaten bestaan ​​in ons begrip van de atmosferische chemie die veranderingen in de samenstelling van de troposfeer aanstuurt.

Een bijzonder belangrijke leemte in de kennis is de vorming en prevalentie van secundaire organische aërosolen (SOA's), die van invloed zijn op de stralingsbalans, de luchtkwaliteit en de menselijke gezondheid van de planeet. Maar die kloof wordt kleiner – dankzij de baanbrekende ontdekkingen van een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Sandia National Laboratories en het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA.

De wetenschappers beschrijven hun bevindingen in een nieuw artikel gepubliceerd in Nature Geosciences .

Het team concentreerde zich op een klasse verbindingen die bekend staat als Criegee-tussenproducten (CI's). Onderzoekers vermoeden dat CI's een cruciale rol spelen bij de vorming van SOA's wanneer ze combineren via een proces dat oligomerisatie wordt genoemd. Maar niemand had ooit de chemische kenmerken van dit proces in het veld direct geïdentificeerd – tot nu toe.

Met behulp van de meest geavanceerde methoden die beschikbaar zijn voor het detecteren van gasfasemoleculen en aërosolen in de atmosfeer, heeft het team veldmetingen uitgevoerd in het Amazone-regenwoud, een van de meest cruciale SOA-gebieden op aarde. Daar vonden ze duidelijk bewijs dat consistent was met reacties van een Criegee-tussenproduct dat koolstof, waterstof en zuurstof bevat (CH₂ OO).

"Deze ontdekking is buitengewoon belangrijk omdat we directe verbindingen konden leggen tussen wat we feitelijk in het veld zagen, wat we verwachtten dat er zou gebeuren met de oligomerisatie van CI's en wat we in het laboratorium konden karakteriseren en theoretisch konden vaststellen", legt Rebecca L uit. . Caravan, assistent-chemicus bij Argonne en eerste auteur op papier.

Deze veldwaarnemingen vormen slechts één onderdeel van de innovatieve wetenschap die mogelijk wordt gemaakt door de samenwerking tussen de laboratoria.

"Naast de veldmetingen konden we 's werelds meest geavanceerde experimentele methoden gebruiken om de tussenliggende reacties van Criegee rechtstreeks te karakteriseren. We gebruikten de meest geavanceerde theoretische kinetiek om reacties te voorspellen die we niet direct kunnen meten. En we hebben geprofiteerd van de de meest geavanceerde mondiale chemiemodellen om de effecten te beoordelen die we op basis van die kinetiek zouden verwachten van oligomerisatie in de troposfeer", zegt Craig A. Taatjes, een verbrandingschemicus bij Sandia.

Deze combinatie van componenten leverde enkele uiterst belangrijke bevindingen op.

"Ten eerste ontdekten we dat CI-chemie mogelijk een grotere rol speelt bij het veranderen van de samenstelling van de troposfeer dan de huidige atmosferische modellen voorspellen - waarschijnlijk in een orde van grootte", zegt Carl Percival, onderzoeker bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA. "Ten tweede produceerde de bijgewerkte modellering die we hebben uitgevoerd op basis van ons werk slechts een fractie van de oligomerisatiesignaturen die we in het veld hebben waargenomen."

Dit zou kunnen betekenen dat CI-chemie nog meer transformaties binnen de troposfeer zou kunnen aandrijven, of dat er andere, nog niet geïdentificeerde chemische mechanismen aan het werk zijn.

"We hebben nog veel werk te doen om de rol van CI-reacties in de troposfeer volledig te definiëren", concludeerde Caravan. "Maar deze bevindingen vergroten ons begrip van een potentieel belangrijke route voor SOA-vorming in de belangrijkste laag van de atmosfeer van de aarde aanzienlijk."

Meer informatie: R. L. Caravan et al, Observationeel bewijs voor intermediaire oligomerisatiereacties van Criegee die relevant zijn voor aërosolvorming in de troposfeer, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-023-01361-6

Journaalinformatie: Natuur Geowetenschappen

Geleverd door Argonne National Laboratory