Rápido crescimento de novas partículas atmosféricas por condensação de ácido nítrico e amônia

Nature volume 581, páginas 184–189 (2020)Cite este artigo

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Uma lista de autores e suas afiliações aparece no final do artigo. A formação de novas partículas é um dos principais contribuintes para a poluição atmosférica urbana1,2, mas a forma como ocorre nas cidades é muitas vezes intrigante3. Se as taxas de crescimento das partículas urbanas forem semelhantes às encontradas em ambientes mais limpos (1–10 nanómetros por hora), então o conhecimento existente sugere que as novas partículas urbanas devem ser rapidamente eliminadas pela elevada concentração de partículas pré-existentes. Aqui mostramos, através de experiências realizadas sob condições atmosféricas na câmara CLOUD do CERN, que abaixo de cerca de +5 graus Celsius, o ácido nítrico e os vapores de amoníaco podem condensar-se em partículas recentemente nucleadas com apenas alguns nanómetros de diâmetro. Além disso, quando está frio o suficiente (abaixo de -15 graus Celsius), o ácido nítrico e a amônia podem nuclear diretamente através de um mecanismo de estabilização ácido-base para formar partículas de nitrato de amônio. Dado que estes vapores são muitas vezes mil vezes mais abundantes que o ácido sulfúrico, as taxas de crescimento de partículas resultantes podem ser extremamente elevadas, atingindo bem acima de 100 nanómetros por hora. No entanto, estas altas taxas de crescimento exigem que o sistema de nitrato de amônio de partículas gasosas esteja fora de equilíbrio para sustentar supersaturações em fase gasosa. Tendo em vista a forte dependência da temperatura que medimos para as supersaturações da fase gasosa, esperamos que tais condições transitórias ocorram em ambientes urbanos não homogêneos, especialmente no inverno, impulsionados pela mistura vertical e por fortes fontes locais, como o tráfego. Embora o rápido crescimento a partir da condensação do ácido nítrico e da amónia possa durar apenas alguns minutos, é, no entanto, rápido o suficiente para conduzir partículas recentemente nucleadas através da faixa de tamanho mais pequena, onde são mais vulneráveis ​​à perda por eliminação, aumentando assim grandemente a sua probabilidade de sobrevivência. Esperamos também que a nucleação de ácido nítrico e amônia e o rápido crescimento sejam importantes na troposfera livre superior relativamente limpa e fria, onde a amônia pode ser transportada por convecção da camada limite continental e o ácido nítrico é abundante em tempestades elétricas .

A formação de novas partículas pode mascarar até metade do forçamento radiativo causado desde a revolução industrial pelo dióxido de carbono e outros gases com efeito de estufa de longa duração6. Acredita-se que a atual formação de partículas envolva predominantemente vapores de ácido sulfúrico em todo o mundo7,8,9. O crescimento subsequente das partículas é mais rico, muitas vezes envolvendo moléculas orgânicas10. Freqüentemente, o crescimento é a etapa limitante para a sobrevivência de partículas de aglomerados recém-nucleados até diâmetros de 50 ou 100 nm, onde se tornam grandes o suficiente para dispersar diretamente a luz e também para semear a formação de nuvens .

A formação de novas partículas nas megacidades é especialmente importante2, em parte porque a poluição atmosférica nas megacidades constitui uma crise de saúde pública13, mas também porque a força climática regional associada à neblina urbana das megacidades pode ser grande14. No entanto, a formação de novas partículas em megacidades altamente poluídas é muitas vezes desconcertante, porque as taxas aparentes de crescimento de partículas são apenas modestamente mais rápidas (por um factor de aproximadamente três) do que as taxas de crescimento em áreas remotas, enquanto a condensação de vapor afunda (para as partículas de fundo) é até duas ordens de grandeza maiores (Dados Estendidos Fig. 1). Isto implica uma probabilidade de sobrevivência muito baixa no 'vale da morte', onde partículas com diâmetros (dp) de 10 nm ou menos têm elevadas difusividades brownianas e serão perdidas por eliminação coagulacional, a menos que cresçam rapidamente7,15.

O nitrato de amônio é há muito reconhecido como um constituinte importante, porém semivolátil, dos aerossóis atmosféricos . Especialmente no Inverno e nas zonas agrícolas, as partículas de nitrato podem constituir um problema substancial de qualidade do ar17. No entanto, acredita-se que a partição de ácido nítrico e vapores de amônia com nitrato de amônio particulado atinja rapidamente um equilíbrio, muitas vezes favorecendo a fase gasosa quando está quente.