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Gli aerosol nell'atmosfera reagiscono alla luce solare incidente. Questa luce viene amplificata all'interno delle goccioline e delle particelle dell'aerosol, accelerando le reazioni. I ricercatori dell'ETH sono stati ora in grado di dimostrare e quantificare questo effetto e raccomandare di inserirlo in modelli climatici futuri.
Goccioline liquide e particelle molto fini possono intrappolare la luce, in modo simile a come la luce può essere catturata tra due specchi. Di conseguenza, l'intensità della luce al loro interno viene amplificata. Questo accade anche nelle goccioline d'acqua molto fini e nelle particelle solide nella nostra atmosfera, cioè gli aerosol. Utilizzando la moderna microscopia a raggi X, i chimici dell'ETH di Zurigo e del Paul Scherrer Institute (PSI) hanno studiato come l'amplificazione della luce influenzi i processi fotochimici che avvengono negli aerosol. Sono stati in grado di dimostrare che l'amplificazione della luce fa sì che questi processi chimici siano in media da due a tre volte più veloci di quanto sarebbero senza questo effetto.
Utilizzando la Swiss Light Source al PSI, i ricercatori hanno studiato gli aerosol costituiti da minuscole particelle di citrato di ferro (III). L'esposizione alla luce riduce questo composto a citrato di ferro (II). La microscopia a raggi X consente di distinguere le aree all'interno delle particelle di aerosol composte da citrato di ferro(III) da quelle costituite da citrato di ferro(II) fino a una precisione di 25 nanometri. In questo modo, gli scienziati hanno potuto osservare e mappare ad alta risoluzione la sequenza temporale di questa reazione fotochimica nelle singole particelle di aerosol.
Decadimento dovuto all'esposizione alla luce
"Per noi, il citrato di ferro (III) era un composto rappresentativo che era facile da studiare con il nostro metodo", afferma Pablo Corral Arroyo, un post-dottorato nel gruppo guidato dalla professoressa dell'ETH Ruth Signorell e autore principale dello studio. Il citrato di ferro (III) rappresenta un'intera gamma di altri composti chimici che possono verificarsi negli aerosol dell'atmosfera. Molti composti organici e inorganici sono fotosensibili e, se esposti alla luce, possono scomporsi in molecole più piccole, che possono essere gassose e quindi fuoriuscire. "Le particelle di aerosol perdono massa in questo modo, cambiando le loro proprietà", spiega Signorell. Tra le altre cose, diffondono la luce solare in modo diverso, il che influisce sui fenomeni meteorologici e climatici. Inoltre, cambiano le loro caratteristiche come nuclei di condensazione nella formazione di nubi.
In quanto tali, i risultati hanno anche un effetto sulla ricerca sul clima. "Gli attuali modelli computerizzati della chimica atmosferica globale non tengono ancora conto di questo effetto di amplificazione della luce", afferma il professor Signorell dell'ETH. I ricercatori suggeriscono di incorporare l'effetto in questi modelli in futuro.
Tempi di reazione non uniformi nelle particelle
Ora mappata e quantificata con precisione, l'amplificazione della luce nelle particelle avviene attraverso effetti di risonanza. L'intensità della luce è maggiore sul lato della particella opposto a quello su cui risplende la luce. "In questo punto caldo, le reazioni fotochimiche sono fino a dieci volte più veloci di quanto sarebbero senza l'effetto di risonanza", afferma Corral Arroyo. Mediato sull'intera particella, questo dà un'accelerazione del suddetto fattore da due a tre. Le reazioni fotochimiche nell'atmosfera di solito durano diverse ore o addirittura giorni.
Utilizzando i dati del loro esperimento, i ricercatori sono stati in grado di creare un modello computerizzato per stimare l'effetto su una serie di altre reazioni fotochimiche di tipici aerosol nell'atmosfera. Si è scoperto che l'effetto non riguarda solo le particelle di citrato di ferro (III), ma tutti gli aerosol, particelle o goccioline, costituiti da composti che possono reagire con la luce. E queste reazioni sono anche in media da due a tre volte più veloci.
La ricerca è stata pubblicata su Scienza . + Esplora ulteriormente
