Η ριζική ανακάλυψη προτρέπει μια επανεξέταση της χημείας του νέφους
Πόσο καιρό ζει ένα σύννεφο; Ως έθνος, η Βρετανία φημίζεται για την ενασχόλησή της με τον καιρό. Έτσι, ως επιστήμονας που μεγαλώνει εδώ, φαινόταν απολύτως φυσικό να κοιτάξουμε προς τον ουρανό και να το κάνουμε αυτό σε επαγγελματική ανησυχία καθώς και ευκαιρία για κουβέντα.
Μπορεί να είμαι προκατειλημμένος ως αποτέλεσμα αυτής της εμμονής, αλλά ο σχηματισμός σύννεφων είναι μια συναρπαστική διαδικασία. Δεν θα εκπλαγείτε αν ακούσετε ότι το βασικό συστατικό είναι οι υδρατμοί. Ωστόσο, στις περισσότερες τοποθεσίες της ατμόσφαιρας, τα σύννεφα δεν σχηματίζονται αυθόρμητα από το νερό και μόνο – και αυτό είναι όπου τα αερολύματα εισέρχονται στην εικόνα.
Τα αερολύματα είναι μικροσκοπικά σωματίδια που παρέχουν μια επιφάνεια για συμπύκνωση υδρατμών και σχηματισμό σταγονιδίων. Διαδραματίζουν βασικό ρόλο στο κλίμα επιτρέποντας τη συμπύκνωση αυτού του νέφους, καθώς και απευθείας διασκορπίζοντας και απορροφώντας το ηλιακό φως. Αυτό δεν σημαίνει τίποτα για τον τεράστιο ρόλο τους στην ανθρώπινη υγεία στην επιφάνεια του πλανήτη, ως ο πιο σημαντικός παράγοντας στη θνησιμότητα που σχετίζεται με την ατμοσφαιρική ρύπανση.
Τα αερολύματα και τα σύννεφα παρέχουν επίσης συναρπαστικούς και σημαντικούς χώρους για την ατμοσφαιρική χημεία. Σε μια πρόσφατη μελέτη, εξετάσαμε μια τέτοια διαδικασία, τον σχηματισμό ριζών υδροξυλίου (ΟΗ) σε σταγονίδια σύννεφων. Οι ρίζες υδροξυλίου είναι γνωστές ως «απορρυπαντικό της φύσης» λόγω της ικανότητάς τους να αντιδρούν με ένα πλήθος ατμοσφαιρικών ειδών στον αέρα και το νερό. Αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να μετατρέψουν τους ρύπους και τα αέρια του θερμοκηπίου και να αλλάξουν την αφθονία των αερολυμάτων. Επομένως, η χημεία του ΟΗ έχει βασικό ρόλο στην ατμόσφαιρα.
Από πού προέρχεται το OH στα σταγονίδια σύννεφων; Προηγούμενες μελέτες έχουν προτείνει ότι η μεταφορά από την περιβάλλουσα αέρια φάση (μέσω της διάσπασης του όζοντος στο ηλιακό φως) ήταν πιθανώς η πιο σημαντική γνωστή πηγή [1]. Άλλες εργασίες συνέλεξαν νερό από πραγματικά σύννεφα και διαπίστωσαν ότι είδη που διαλύονται στα σταγονίδια, όπως το υπεροξείδιο του υδρογόνου και τα νιτρικά άλατα, επίσης αποσυντίθενται στο ηλιακό φως για να σχηματίσουν μέτριες ποσότητες ΟΗ [2]. Συχνά αυτή η παραγωγή υποβοηθάται από ίχνη ιόντων μετάλλων μετάπτωσης όπως ο σίδηρος (Fe).
Η πρόσφατη μελέτη μας [3] βρήκε μια νέα και δυνητικά κυρίαρχη πηγή ΟΗ στα σταγονίδια σύννεφων. Η εργασία, με επικεφαλής την καθηγήτρια Suzanne Paulson στο UCLA, υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση σε προηγούμενες μελέτες και αναζήτησε την παραγωγή ΟΗ κατά τη μετατροπή των σωματιδίων αερολύματος σε σταγονίδια σύννεφων. Και αποδεικνύεται ότι κατά τον σχηματισμό σταγόνας σύννεφων, παρατηρείται μια σημαντική «έκρηξη» ΟΗ που οδηγείται από το φως. Αυτή η έκρηξη διαρκεί το πολύ λίγα λεπτά (η χρονική ανάλυση των μετρήσεών μας) πριν φτάσει στους πιο ήρεμους ρυθμούς παραγωγής OH που παρατηρούνται από ομάδες που συνέλεξαν απευθείας το νέφος του νερού.
Τα δείγματα της μελέτης μας συλλέχθηκαν από τρεις αστικές τοποθεσίες στην Καλιφόρνια (Claremont, Fresno και West Los Angeles) με διακριτά χαρακτηριστικά όσον αφορά τις πηγές αερολύματος. Δείγματα αερολύματος συλλέχθηκαν σε φίλτρα και μεταφέρθηκαν στο εργαστήριο UCLA για ανάλυση. Ο σχηματισμός νεφών προσομοιώθηκε με την προσθήκη νερού στα δείγματα του φίλτρου αερολύματος (σε αραιώσεις που σχετίζονται με σταγονίδια ατμοσφαιρικού νέφους) παρουσία υπεριώδους φωτός. Το νερό περιείχε μια μικρή ποσότητα ενός μορίου ανιχνευτή που φθορίζει μετά από αντίδραση με ΟΗ, και αυτό μας επέτρεψε να παρακολουθούμε την παραγωγή ΟΗ από το διάλυμα με την πάροδο του χρόνου.
Είναι αξιοσημείωτο ότι όλα τα δείγματα αερολύματος που δοκιμάσαμε εμφάνισαν κάποια μορφή έκρηξης ΟΗ, ανεξάρτητα από τοποθεσία, εποχή (καλοκαίρι/χειμώνα) ή ώρα ημέρας (πρωί/απόγευμα/βράδυ). Φαίνεται από τα μέχρι τώρα αποτελέσματά μας ότι αυτό είναι δυνητικά ένα ευρέως διαδεδομένο φαινόμενο κατά τον σχηματισμό σταγονιδίων σύννεφων.
Μερικά ερωτήματα που ακολούθησαν προέκυψαν όταν είδαμε αυτά τα αποτελέσματα:τι παράγει το ΟΗ τόσο γρήγορα και γιατί δεν συνέβη στα αερολύματα πριν τα συλλέξουμε;
Περιέργως, οι γνωστές πηγές ΟΗ που ανέφερα παραπάνω, όπως το υπεροξείδιο του υδρογόνου και τα νιτρικά, αποσυντίθενται πολύ αργά για να παράγουν γρήγορες εκρήξεις ΟΗ που είδαμε. Ερευνήσαμε εναλλακτικές λύσεις και διαπιστώσαμε ότι στο εργαστήριο θα μπορούσαμε να αναδημιουργήσουμε την έκρηξη σε προσομοιωμένο νέφος νερού που περιέχει οργανικά υπεροξείδια (ανάλογα με το υπεροξείδιο του υδρογόνου, αλλά συχνά πιο αντιδραστικά) και ιόντα σιδήρου (Fe). Αυτό μπορεί να ακούγεται εξωτικό, αλλά οργανικά υπεροξείδια παράγονται στην ατμόσφαιρα από αντιδράσεις εκπομπών φυτών και οχημάτων με (το μαντέψατε) ρίζες ΟΗ. Από τις δοκιμές μας, αναμένουμε να είναι αρκετά άφθονα και να αποσυντίθενται αρκετά γρήγορα ώστε να είναι μια εύλογη πηγή ΟΗ στα δείγματα περιβάλλοντος μας. Πιστεύουμε ότι ο ρόλος του φωτός είναι να αναπαράγει τον Fe που καταλύει τη διάσπαση του υπεροξειδίου.
Η δεύτερη ερώτηση (γιατί δεν σχηματίστηκε το ΟΗ στο αεροζόλ;) επιστρέφει στη διάκριση μεταξύ σταγονιδίων σύννεφων και αερολυμάτων. Ενώ τα σταγονίδια σύννεφων είναι πολύ αραιά, τα αερολύματα περιέχουν σχετικά λίγο νερό και συχνά παρατηρείται ότι είναι πολύ παχύρρευστα ή ακόμη και στερεά στην ατμόσφαιρα. Έτσι, ενώ τα αερολύματα μπορεί να περιέχουν όλα τα συστατικά για την έκρηξη, υποθέτουμε ότι είναι κλειδωμένα σε μη αντιδραστική κατάσταση μέχρι να διαλυθούν στο νερό κατά τη διάρκεια του σχηματισμού νεφών. Η προηγούμενη εργασία μας [4] υπέθεσε ότι μπορεί επίσης να υπάρχουν παρόμοια «εγκλωβισμένα» αντιδραστικά μόρια σε αερολύματα που εισπνέονται από τον άνθρωπο και το εξαιρετικά υγρό περιβάλλον των πνευμόνων θα μπορούσε να λειτουργήσει ως «ταχεία απελευθέρωση», επιτρέποντας την εμφάνιση επιβλαβών αντιδράσεων.
Στην αρχή του άρθρου, έθεσα την ερώτηση:"Πόσο καιρό ζει ένα σύννεφο;" Δεν το έχω απαντήσει ακόμα, αλλά τώρα, σχεδόν στο τέλος, είναι το κλειδί για να βάλουμε την «έκρηξη» που μετρήσαμε στο πλαίσιο. Είναι αδύνατο να δώσουμε μία μόνο απάντηση, αλλά τα σταγονίδια σύννεφων μπορεί να φαίνονται εκπληκτικά βραχύβια. Συνήθως, επιμένουν για περίπου 15 λεπτά πριν εξατμιστούν ξανά, πίσω στα αερολύματα και στους υδρατμούς. Και στη διάρκεια ζωής τους 15 λεπτών, το μέγεθος των εκρήξεων που μετρήσαμε συχνά μεταφράζεται ως η μεγαλύτερη πηγή ΟΗ στα σταγονίδια.
Η παρατήρηση αυτής της μεγάλης νέας πηγής έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει την κατανόησή μας για τη χημεία των νεφών και των αερολυμάτων και τις επακόλουθες επιπτώσεις της στο κλίμα, την ορατότητα και την υγεία. Ίσως αναφέρετε το την επόμενη φορά που θα συνομιλήσετε με τον γείτονά σας σχετικά με την πιο πρόσφατη πρόγνωση καιρού!
Αναφορές:
- Herrmann et al., Atmos. Environ., 39, 4169-4183, 2005.
- Bianco et al., Atmos. Chem. Phys., 15, 9191-9202, 2015.
- Paulson et al., Sci. Adv., 5, eeav7689, 2019.
- Gallimore et al., Atmos. Chem. Phys., 17, 9853-9868, 2017.
