Gli abitanti delle città devono da tempo fare i conti con lo smog, quella brutta foschia che incombe sulle aree urbane, a causa di attività umane diverse che producono emissioni, come l'industria manifatturiera, il taglio del prato, la guida delle auto e persino la cucina.
Queste emissioni sono costituite da gas come anidride carbonica, ossidi di azoto e composti organici volatili (COV), nonché minuscole particelle solide note come aerosol. La foschia che vedi quando guardi verso l'orizzonte in una giornata di smog è costituita principalmente da queste particelle di aerosol, che vengono sia emesse direttamente nell'atmosfera (e quindi "aerosol primari") sia anche formate nell'atmosfera ("aerosol secondari") a causa di l'interazione della luce solare con i composti presenti nelle emissioni, come i COV.
Tuttavia, le attività umane non sono l’unica fonte di particelle di aerosol. Anche gli alberi e altra vegetazione rilasciano COV che producono aerosol secondari attraverso la chimica guidata dalla luce solare, e in quantità molto grandi. Sono questi aerosol, ad esempio, i responsabili della fumosità blu delle Great Smoky Mountains. Come i loro omologhi prodotti dall'uomo, questi aerosol naturali influiscono sulla qualità dell'aria e hanno anche un impatto significativo sul clima.
Un nuovo studio condotto dai ricercatori del Caltech sta rivelando per la prima volta dettagli chiave su come i COV rilasciati dagli alberi vengono trasformati in aerosol attraverso la chimica atmosferica. L'articolo che descrive la ricerca, apparso su Science , è stato uno sforzo di collaborazione tra i laboratori di John Seinfeld, il professore di ingegneria chimica Louis E. Nohl; Paul Wennberg, R. Stanton Avery Professore di Chimica dell'Atmosfera e Scienze e Ingegneria Ambientali; e Brian Stoltz, professore di chimica e ricercatore dell'Heritage Medical Research Institute di Victor ed Elizabeth Atkins.
"In modo un po' controintuitivo, la maggior parte degli aerosol nell'atmosfera globale non provengono direttamente da fonti umane, e questo è solo il prodotto del fatto che le foreste costituiscono una frazione molto più ampia della superficie terrestre rispetto alle città", afferma Christopher Kenseth, autore principale dello studio. il giornale ed ex studente laureato in chimica del Caltech, ora ricercatore post-dottorato della National Science Foundation (NSF) presso l'Università di Washington. "Le emissioni di COV provenienti da piante e alberi producono una frazione sostanziale degli aerosol atmosferici a livello globale e svolgono un ruolo fondamentale nel sistema climatico."
Kenseth afferma che gli aerosol influenzano il clima in due modi:in primo luogo, bloccano la luce solare in entrata, impedendole di raggiungere la superficie terrestre (proprio come potrebbero bloccare la vista delle montagne in una giornata di smog a Los Angeles). In secondo luogo, fungono da seme per la formazione delle nuvole, che riflettono anche la luce solare nello spazio. Infatti, senza particelle di aerosol, ci sarebbero molte meno nuvole nell'atmosfera.
Piante e alberi emettono innumerevoli composti che formano aerosol secondari, ma in questo studio i ricercatori si sono concentrati specificamente su una coppia di composti chiamati alfa-pinene e beta-pinene, che vengono emessi dalle conifere e conferiscono agli alberi il loro caratteristico odore di pino. Questi pineni costituiscono una parte importante dei COV rilasciati nelle aree boschive e sono di conseguenza responsabili di gran parte della formazione di aerosol.
L'importanza della formazione globale degli aerosol atmosferici è nota da decenni, e il cosiddetto “sistema pinene” è studiato da più di 40 anni. Negli ultimi vent'anni, molteplici analisi hanno dimostrato che i dimeri (composti costituiti da due molecole più piccole e simili unite insieme da un legame chimico) sono i componenti principali dell'aerosol derivato dal pinene.
Tuttavia, poiché la chimica di ossidazione che forma l'aerosol dal pinene è estremamente complessa, i chimici atmosferici in precedenza avevano sviluppato solo ipotesi plausibili sull'identità di questi dimeri e, per estensione, su come si formano.
Nel presente studio, Kenseth si è affidato alle risorse dei laboratori Seinfeld, Wennberg e Stoltz per scoprire le strutture e il meccanismo di formazione dei dimeri identificati nell'aerosol derivato dal pinene utilizzando una combinazione di esperimenti di laboratorio e sintesi organica.
"Data l'importanza riconosciuta dei dimeri di pinene, è sorprendente che il meccanismo per la loro formazione sia rimasto opaco per così tanto tempo", afferma Wennberg. "È davvero un tributo alla capacità di sintetizzare i presunti composti e studiare il loro comportamento che ha reso possibile questa scienza."
Kenseth ha generato un aerosol derivato dal pinene nella Camera Ambientale del Caltech, un grande sacco di Teflon (24.000 litri) che simula l'atmosfera reale ma consente uno stretto controllo di condizioni come temperatura e umidità. Raccogliendo l'aerosol sui filtri e analizzandone la composizione molecolare mediante la spettrometria di massa, Kenseth è stato in grado di proporre strutture per i principali dimeri identificati nei campioni di aerosol.
Kenseth ha poi collaborato con i ricercatori del laboratorio Stoltz per sintetizzare i composti proposti e poi ha determinato, sempre utilizzando la spettrometria di massa, che le strutture dei dimeri sintetizzati corrispondevano a quelle dei dimeri identificati nell'aerosol.
"Era qualcosa di cui eravamo entusiasti", afferma Stoltz. "Le cose su cui lavoriamo di solito sono estremamente complicate. Questi composti aerosol sono molecole molto piccole in confronto ma hanno le loro complessità."
Dopo aver confermato definitivamente le strutture dei dimeri, Kenseth ha effettuato ulteriori esperimenti nella camera del Caltech per decifrare il meccanismo chimico dettagliato attraverso il quale si formano. Fondamentalmente, gli esperimenti hanno dimostrato che il legame che collega le due metà del dimero si forma nelle particelle di aerosol, a differenza di quando i prodotti di ossidazione sono presenti come gas.
"Ciò ha risolto un enigma di vecchia data nella chimica degli aerosol", afferma Kenseth. "Sappiamo da decenni che questi dimeri sono importanti motori della produzione di aerosol, ma solo sintetizzando standard autentici siamo stati in grado di determinare concretamente le loro strutture e quindi progettare gli esperimenti che hanno svelato il loro meccanismo di formazione."
Questa scoperta è importante per i chimici atmosferici come Seinfeld e Wennberg perché colma una lacuna chiave nella comprensione del settore della composizione e della chimica di formazione degli aerosol atmosferici, conoscenza essenziale per una valutazione accurata dei loro impatti sull'ambiente e sulla salute.
"Sapere come si formano ci permette di capire quali altri composti possono produrre tali aerosol. Senza un meccanismo, dovremmo cercare nell'intero catalogo dei COV, cosa che sarebbe essenzialmente impossibile", afferma Wennberg.
Seinfeld aggiunge:"La caratterizzazione dei dettagli a livello molecolare della chimica della formazione di aerosol è senza dubbio l'area di ricerca più impegnativa nella chimica dell'atmosfera. Questo studio è una pietra miliare non solo in termini di metodologia impiegata, ma perché rappresenta un caso raro in questo settore". campo in cui tutti gli aspetti di un'importante reazione chimica complessa sono ora ben compresi."
I coautori sono Nicholas Hafeman, Ph.D., ex Caltech e ora con AbbVie Inc.; Samir Rezgui, studente laureato in chimica del Caltech; Jing Chen dell'Università di Copenaghen; Yuanlong Huang, Ph.D., dell'Istituto Orientale per gli Studi Avanzati; Nathan Dalleska, direttore del Resnick Water and Environment Lab al Caltech; Henrik Kjaergaard dell'Università di Copenaghen; così come Seinfeld, Wennberg e Stoltz.
Ulteriori informazioni: Christopher M. Kenseth et al, L'accrescimento in fase particellare forma esteri dimeri nell'aerosol organico secondario di pinene, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adi0857
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dal California Institute of Technology
