Nelle giornate di sole in megalopoli come Pechino, l'acido gassoso e gli inquinanti basici formano una grande quantità di nuove particelle ultrafini. Il raggruppamento tra un acido e una base è la fase limitante la velocità per la formazione di nuove particelle. Credito:Science China Press
Un gruppo di ricerca congiunto guidato dal dottor Jingkun Jiang dell'Università di Tsinghua e dal dottor Markku Kulmala dell'Università di Helsinki ha riportato un meccanismo efficiente per l'acido solforico gassoso e le basi per formare particelle ultrafini atmosferiche. I risultati spiegano la rapida formazione di particelle ultrafini secondarie, che potrebbero influenzare ulteriormente la qualità dell'aria e il clima.
Il team ha scoperto che le reazioni acido-base sono le principali forze trainanti dei precursori gassosi per superare la tensione superficiale e formare particelle ultrafini, e il meccanismo chiave è la formazione di eterodimeri acido-base nascosti. Questo meccanismo nascosto spiega l'alto tasso di formazione di particelle nelle megalopoli cinesi.
I loro risultati sono stati pubblicati su National Science Review .
"Ci sono centinaia di migliaia di particelle ultrafini nell'aria per centimetro cubo nelle megalopoli cinesi e un nuovo evento di formazione di particelle in un mezzogiorno soleggiato può aumentare prontamente la loro concentrazione di un ordine di grandezza in diverse ore", afferma Jiang.
Per spiegare come le nuove particelle possano essere convertite in modo così efficiente da precursori gassosi, Jiang e Kulmala, insieme al dottor Runlong Cai, sono determinati a cercare il meccanismo chiave per la rapida formazione di nuove particelle. Hanno saputo che l'acido solforico è un precursore primario, mentre la sfida è trovare le basi chiave tra molti candidati. "L'aria urbana è un complesso cocktail di sostanze chimiche con interazioni e feedback poco conosciuti", ha commentato Kulmala.
I ricercatori hanno osservato cluster molecolari molto abbondanti contenenti acido solforico durante la formazione di nuove particelle a Pechino e Shanghai. Alcuni dei cluster misurati contengono acido solforico e molecole di ammina. Questi forniscono una forte evidenza della partecipazione dell'ammina nella formazione di cluster stabili di acido solforico, che aumenta il tasso di conversione dall'acido solforico gassoso a nuove particelle.
"È interessante notare che abbiamo misurato meno basi rispetto agli acidi in un ammasso. Ci devono essere alcune informazioni chiave nascoste dietro i segnali misurati", afferma Cai. In precedenza era stato proposto che il raggruppamento tra una molecola di base e un omodimero di acido solforico fosse il meccanismo chiave per la formazione di nuove particelle, poiché non c'erano molecole di base nei cluster misurati contenenti una molecola di acido solforico. Il team di ricerca, tuttavia, ha scoperto che si trattava di un artefatto di misurazione.
Combinando misurazioni a lungo termine e teoria basata sulla chimica quantistica e sulla cinetica dei cluster, hanno scoperto che la formazione di eterodimeri acido-base nascosti è il meccanismo chiave. Questo meccanismo è molto più efficiente del meccanismo precedentemente proposto con omodimeri acido-acido, garantendo la rapida formazione di cluster di acido solforico e nuove particelle.
Gli eterodimeri nascosti risolvono l'enigma del motivo per cui nuove particelle potrebbero formarsi frequentemente contro un elevato carico di particelle di fondo nelle megalopoli. Gli eterodimeri acido-base nascosti con una frazione considerevole nei segnali di acido solforico misurati possono raggrupparsi efficacemente l'uno con l'altro. Ciò garantisce un'elevata velocità di formazione delle particelle che si avvicina al massimo teorico anche a una bassa concentrazione di ammina nell'ambiente. Gli eterodimeri nascosti spiegano anche la dipendenza dalla temperatura della formazione di nuove particelle a Pechino e Shanghai. "Le misurazioni atmosferiche sono spesso disturbate da molti fattori. Non mi aspettavo una coerenza così sorprendente tra le misurazioni e la nuova teoria", afferma Cai.
Il team ha anche cercato le molecole di base nascoste utilizzando analisi termodinamiche e cinetiche. Tra le molecole gassose misurate, le ammine forti come la dimetilammina fungono da basi chiave negli eterodimeri acido-base, mentre è più probabile che l'ammoniaca molto abbondante e altre basi deboli siano coinvolte nel successivo processo di crescita del grappolo. + Esplora ulteriormente
