Una scoperta dell'ex dottore di ricerca Carnegie Mellon. Lo studente, Mingyi Wang, alla guida di un grande team collaborativo, fa luce su un modo in cui si stanno formando nuove particelle nella troposfera superiore. Lo studio, pubblicato su Natura , rivela un'inaspettata reazione volatile tra acido nitrico, acido solforico e ammoniaca, creando sinergicamente nuove particelle a una velocità rapida. I risultati suggeriscono che oltre all'anidride carbonica, ci sono altri composti che necessitano di attenzione e regolamentazione.

La presenza di ammoniaca è stata scoperta per la prima volta nella troposfera superiore nel 2016 utilizzando l'analisi degli spettri medi di emissione degli arti a infrarossi MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding). Gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (Germania), dell'Università del Colorado Boulder e dell'Universidad Nacional Autónoma de México hanno eseguito una "TC Scan" dell'atmosfera, spostandosi lungo latitudini e longitudini, misurando le concentrazioni e le composizioni delle particelle nella troposfera superiore.

L'ammoniaca è derivata principalmente dall'agricoltura e dai veicoli in contesti urbani condensati. Quando gli scienziati hanno rilevato il composto nella troposfera superiore, sono rimasti sorpresi da quanto lontano avesse viaggiato nell'atmosfera, sollevando dubbi su come è stato trasportato lì e sul suo effetto sulla massa e sulla creazione delle particelle.

Dopo aver appreso del precedente studio, Wang, un dottorato di ricerca. studente al Dipartimento di Chimica della Carnegie Mellon, si interessò alla reazione tra ammoniaca, acido nitrico e acido solforico nell'atmosfera. In uno studio del 2020, pubblicato anche su Nature, Wang ha scoperto che in condizioni fredde, come quella del clima invernale a Pechino, la miscela di questi tre agenti contribuisce e si condensa su particelle nanometriche, aumentandone rapidamente la massa.

Con questa scoperta, Wang è diventato curioso di sapere come sarebbe stata questa reazione in regioni ancora più fredde ed estreme, quindi ha iniziato a progettare un esperimento per testarlo in condizioni simili alla troposfera superiore.

"C'è un numero molto limitato di strumenti disponibili per identificare i processi che creano particelle nella troposfera superiore", ha detto Wang. "Dobbiamo fare affidamento su esperimenti di laboratorio per capire cosa può accadere in quelle condizioni."

Per analizzare questo, Wang si è recato in Svizzera come membro della collaborazione CLOUD per testare il suo esperimento presso il Consiglio europeo per la ricerca nucleare (CERN). Usando la loro camera, Wang ha creato condizioni atmosferiche controllate con precisione e ha osservato le reazioni in tempo reale. Quando è arrivato il momento di aggiungere l'ammoniaca alla camera, Wang si aspettava di vedere la miscela di acidi e basi condensarsi sulle particelle esistenti e aumentare la loro massa, come aveva scoperto in precedenza. Tuttavia, con sua sorpresa, vide un'esplosione di nuove particelle formarsi rapidamente.

"Quello che abbiamo scoperto è che l'acido nitrico e l'ammoniaca sono suscettibili alle variazioni di temperatura. Quando la temperatura diventa più fredda, possono effettivamente passare attraverso il processo di conversione da gas a particelle, creando nuove particelle e aumentando la concentrazione complessiva del numero di particelle", ha affermato Wang.

"Questo è importante, specialmente nella troposfera superiore relativamente pulita. Le fonti di emissione sono limitate lassù. Non ci sono fabbriche o fattorie e si pensa che gli aerei rappresentino la maggior parte degli inquinanti in quest'area. Qualsiasi inquinante nella troposfera superiore lo farà svolgono un ruolo molto diverso da quello che svolgono nello strato limite (la parte più bassa della troposfera, direttamente influenzata dalla presenza della superficie terrestre). Anche la temperatura e l'interazione tra le specie in ciascuna sono molto diverse."

Collaborating with a number of world-renowned climate scientists, including Carnegie Mellon Engineering Assistant Research Professor Hamish Gordon, Wang and his fellow researchers conducted global modeling simulations, demonstrating how ammonia is transported to the upper troposphere and later dispersed.

Additionally, CMU Chemical Engineering Ph.D. student and co-author Brandon Lopez found that even a tiny amount of sulfuric acid could turn particles into formidable ice nuclei.

The group uncovered that the ammonia is convected upward during events like the Asian monsoon. Being that ammonia is very soluble, as it passes through clouds, it begins dissolving into cloud droplets. These droplets then freeze, becoming ice crystals, re-releasing portions of ammonia into the atmosphere, producing particles that can spread across the mid-latitude Northern Hemisphere.

"This finding leads us to question whether or not other species, such as organic compounds, can also be transported to the upper troposphere through this process," said Wang.

Wang's advisor, co-author, and world-class climate scientist, Neil Donahue, explained the importance of understanding the possible array of compounds that could be convected and their potential impact.

"All of the scientific uncertainty around climate change relates to clouds in one way or another," said Donahue, a Thomas Lord Professor in the Chemistry, Chemical Engineering, and Engineering and Public Policydepartments at Carnegie Mellon. "To make clouds, you need water to nucleate or freeze."

"In polluted parts of the atmosphere closer to the ground, such as that over big cities, the agents and particles that act as cloud nuclei (seeds) are abundant, but they are quite rare in the vast areas of the upper atmosphere. The nature of clouds can change a lot depending on the type and amount of particles present, so having these particles making and changing cloud composition in the upper atmosphere could significantly impact climate."

Reducing carbon dioxide (CO₂ ) emissions continues to be a major focus of climate scientists and lawmakers. While Wang says reducing CO₂ by decreasing fossil fuel combustion will help lower several other pollutants, he believes it's imperative to start developing regulations focused specifically on ammonia emissions.

"We know we have to reduce sulfur and nitrogen oxide emissions from coal power plants and vehicles, but now it's evident we should be thinking about reducing ammonia emissions from vehicles and agriculture too. It's proving to play a critical role both in the boundary layer, affecting air quality, but also in the composition of the upper troposphere."

Wang, now a postdoc at the California Institute of Technology, says the next step is to design additional studies to uncover whether other compounds are making it to the upper troposphere in a similar fashion. + Esplora ulteriormente

Discovering a new way by which aerosols rapidly form and grow at high altitude