HNO3 sinérgico - Aquecedor ATM Yunnan Co., Ltd

Nature volume 605, páginas 483–489 (2022)Cite este artigo

12 mil acessos

13 citações

215 Altmétrico

Detalhes das métricas

A formação de novas partículas na alta troposfera livre é uma importante fonte global de núcleos de condensação de nuvens (CCN) 1,2,3,4. No entanto, os vapores precursores que conduzem o processo não são bem compreendidos. Com experimentos realizados sob condições da alta troposfera na câmara CERN CLOUD, mostramos que o ácido nítrico, o ácido sulfúrico e a amônia formam partículas sinergicamente, em taxas que são ordens de magnitude mais rápidas do que aquelas de quaisquer dois dos três componentes. A importância deste mecanismo depende da disponibilidade de amônia, que anteriormente se pensava ser eficientemente eliminada pelas gotículas de nuvens durante a convecção. No entanto, concentrações surpreendentemente elevadas de amónia e nitrato de amónio foram recentemente observadas na alta troposfera sobre a região das monções asiáticas5,6. Uma vez formadas as partículas, a co-condensação de amônia e ácido nítrico abundante por si só é suficiente para impulsionar o rápido crescimento para tamanhos de CCN com apenas vestígios de sulfato. Além disso, as nossas medições mostram que estes CCN também são partículas nucleadoras de gelo altamente eficientes – comparáveis à poeira do deserto. Nossas simulações de modelo confirmam que a amônia é eficientemente transportada para o alto durante as monções asiáticas, conduzindo a nucleação rápida e multiácida de HNO3 – H2SO4 – NH3 na alta troposfera e produzindo partículas de nucleação de gelo que se espalham pela latitude média do Hemisfério Norte.

A intensa formação de partículas foi observada por medições aéreas como uma faixa persistente em escala global na alta troposfera sobre regiões convectivas tropicais . Acredita-se que a nucleação da alta troposfera forneça pelo menos um terço do CCN3 global. O aumento dos aerossóis desde a revolução industrial, e as suas interacções com as nuvens, mascararam uma grande fracção da força radiativa global dos gases com efeito de estufa. As projeções do forçamento radiativo de aerossóis resultante de futuras reduções da poluição atmosférica são altamente incertas7. A nucleação atual envolve ácido sulfúrico (H2SO4) em quase toda a troposfera8. No entanto, a nucleação binária de H2SO4 – H2O é lenta e, portanto, a nucleação ternária ou multicomponente com vapores extras, como amônia (NH3)9 e orgânicos10,11, é necessária para levar em conta as taxas observadas de formação de novas partículas3,8,12.

A amônia estabiliza a nucleação ácido-base e aumenta fortemente as taxas de formação de partículas9. No entanto, acredita-se que a amônia seja extremamente escassa na alta troposfera porque sua solubilidade em água e reatividade com ácidos devem levar à remoção eficiente em nuvens convectivas. No entanto, esta suposição não é apoiada pela observação. O vapor de amônia foi repetidamente detectado na alta troposfera das monções asiáticas, com proporções de mistura de até 30 pptv (2,5 × 108 cm-3) para uma média de três meses5 e até 1,4 ppbv (1,2 × 1010 cm-3) em pontos críticos6 . A liberação de amônia dissolvida das gotículas de nuvens pode ocorrer durante a glaciação13. Uma vez liberada na alta troposfera, a amônia pode formar partículas com ácido nítrico, que é produzido abundantemente pelos raios14,15. Estas partículas viverão mais tempo e viajarão mais longe do que o vapor de amoníaco, com potencial para influenciar toda a alta troposfera e a baixa estratosfera do Hemisfério Norte6.

Permanecem questões fundamentais sobre o papel e os mecanismos do ácido nítrico e da amônia na formação de partículas da troposfera superior. Experimentos recentes de CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) no CERN mostraram que vapores de ácido nítrico e amônia abaixo de 278 K podem condensar em partículas recém-formadas de até alguns nanômetros de diâmetro, levando ao rápido crescimento para tamanhos de CCN . Em temperaturas ainda mais baixas (abaixo de 258 K), o ácido nítrico e a amônia podem nuclear diretamente para formar partículas de nitrato de amônio, embora a nucleação de HNO3-NH3 puro seja muito lenta para competir com a nucleação de H2SO4-NH3 em condições comparáveis. No entanto, os resultados que apresentamos aqui mostram que, quando todos os três vapores estão presentes, uma interação sinérgica impulsiona as taxas de nucleação em ordens de magnitude mais rápidas do que aquelas de quaisquer dois dos três componentes. Uma vez nucleadas através deste mecanismo multiácido-amônia, as partículas podem crescer rapidamente pela co-condensação apenas de NH3 e HNO3, sendo que ambos podem ser muito mais abundantes que o H2SO4 na alta troposfera.

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. A microphysical model reproduces the main features of the observed particle formation (dashed lines; see text for details). b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. Sulfuric acid through SO2 oxidation started to appear soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 2.3 × 106 cm−3 after a wall-loss-rate timescale of around 10 min. The subsequent H2SO4–NH3 nucleation led to a relatively slow formation rate of 1.7-nm particles. The particles did not grow above 2.5 nm because of their slow growth rate and corresponding low survival probability against wall loss. Following injection of 2.0 × 109 cm−3 nitric acid into the chamber after 115 min, while leaving the production rate of sulfuric acid and the injection rate of ammonia unchanged, we observed a sharp increase in particle formation rate (panel b), together with rapid particle growth of 40 nm h−1 (panel c). The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are about 6.5 × 108 cm−3 NH3, 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively. We started the experiment by oxidizing NO2 to produce 1.6 × 109 cm−3 HNO3 in the presence of about 6.5 × 108 cm−3 ammonia. At time = 0 min, we turned off the high-voltage clearing field to allow the ion concentration to build up to a steady state between GCR production and wall deposition. The presence of ions (GCR condition) induces slow HNO3–NH3 nucleation, followed by relatively fast particle growth by nitric acid and ammonia condensation. We thus observe formation of both 1.7-nm and 2.5-nm particles by about one order of magnitude in about 3.5 h, with a slower approach to steady state because of the longer wall deposition time constant for the larger particles. Then, we increased H2SO4 in the chamber from 0 to 4.9 × 106 cm−3 by oxidizing progressively more injected SO2 after 211 min, with a fixed production rate of nitric acid and injection rate of ammonia. Subsequently, particle concentrations increase by three orders of magnitude within 30 min. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/+50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>

1.7 nm (magenta) and >2.5 nm (green). The solid magenta trace is measured by a PSM1.7 and the solid green trace is measured by a CPC2.5. The fixed experimental conditions are 223 K and 25% relative humidity. b, Particle formation rate versus time at 1.7 nm (J1.7), measured by a PSM. c, Particle size distribution versus time, measured by an SMPS. d, Gas-phase nitric acid and sulfuric acid versus time, measured by an I− CIMS and a NO3− CIMS, respectively; gas-phase ammonia versus time, calculated with a first-order wall-loss rate. Before the experiment, we cleaned the chamber by rinsing the walls with ultra-pure water, followed by heating to 373 K and flushing at a high rate with humidified synthetic air for 48 h. We started with an almost perfectly clean chamber and only HNO3, SO2 and O3 vapours present at constant levels. Sulfuric acid starts to appear by means of SO2 oxidation soon after switching on the UV lights at time = 0 min, building up to a steady state of 5.0 × 106 cm−3 with the wall-loss timescale of about 10 min. Subsequently, we observe slow formation of 1.7-nm particles, yet they do not reach 2.5 nm during the course of a 2-h period with small growth rates and low survival probability. Then, owing to the injection of ammonia from 0 to around 6.5 × 108 cm−3 into the chamber after 80 min, a sharp increase in the rate of particle formation is observed with a fixed production rate of sulfuric acid and injection rate of nitric acid. The sulfuric acid concentration decreases slightly afterwards, owing to accumulated condensation sink from fast particle growth. The overall systematic scale uncertainties of ±30% on particle formation rate, −33%/50% on sulfuric acid concentration and ±25% on nitric acid concentration are not shown./p>