Что-то очень похожее происходит в атмосфере. Выбросы кислой серы на электростанциях стремительно сокращаются за последнее десятилетие, а нейтрализующее основание — аммиак — выбрасывается из другого источника и не уменьшается. Это заставило многих исследователей атмосферы предположить, что окружающие частицы сульфата, которыми мы все дышим, становятся менее кислыми и, следовательно, менее токсичными.Но новое исследование показывает, что этого интуитивного ожидания не произошло, по крайней мере, на юго-востоке Соединенных Штатов, где оставшиеся частицы сульфата кажутся такими же кислотными, как и всегда.
Хотя они были удивлены результатами, исследователи из Технологического института Джорджии разработали объяснение, которое также может облегчить опасения по поводу еще одного атмосферного загрязнителя, который, как опасались ученые, заменит восстановленные сульфаты. Помимо здоровья человека, исследования имеют более широкое значение для моделирования загрязнения атмосферы и глобального изменения климата.Исследование, спонсируемое Национальным научным фондом и Агентством по охране окружающей среды США, будет опубликовано 22 февраля в журнале Nature Geoscience. Выводы основаны на наблюдаемых данных о составе газов и аэрозолей, влажности и температуре, собранных на участке в сельской местности Алабамы в рамках Южного исследования окислителей и аэрозолей (SOAS).
«Сульфаты являются основным источником кислотности в атмосфере, и ожидалось, что газообразный аммиак — в основном из сельского хозяйства — вступит в реакцию с оставшимися частицами, чтобы снизить их кислотность», — пояснил Родни Вебер, профессор Школы технологий Джорджии. Земля Атмосферные науки. «Но мы обнаружили, что система, которая формирует частицы сульфата, не очень чувствительна к количеству нейтрализатора аммиака.
Это имеет значение, потому что кислотность этих частиц влияет на другие важные атмосферные реакции».Вместо того, чтобы реагировать со всеми доступными кислыми сульфатами, щелочной аммиак, выделяемый в результате сельскохозяйственных работ и других источников, по-видимому, формирует равновесие между газофазными соединениями и соединениями частиц. Эти выбросы аммиака, хотя и сезонные, в основном остались неизменными.
Ученые ожидали, что при том же количестве нейтрализующего аммиака, доступном для реакции с гораздо меньшим количеством сульфатов, pH мелких частиц сульфата повысится до нейтрального уровня. Но pH остается в пределах от 0 до 2 — примерно такой же уровень кислотности, как у аккумуляторной кислоты.«Сульфаты остаются в фазе частиц и не летучие», — сказал Вебер, первый автор статьи. «Аммиак улетучивается и частично остается в газовой фазе.
Это означает, что ему очень трудно полностью нейтрализовать кислотные частицы, что объясняет, почему система имеет тенденцию быть нечувствительной к количеству доступного нейтрализатора».Частицы диаметром менее 2,5 микрон — известные как PM 2,5 — имеют последствия для здоровья человека, поскольку они могут проникать глубоко в легкие, вызывая респираторные и сердечно-сосудистые проблемы.
Из-за их потенциального воздействия на здоровье производство соединений серы, образующих эти частицы, было сокращено более чем на 70 процентов за последние 15 лет в юго-восточных Соединенных Штатах за счет установки скрубберов на угольных электростанциях, замены угля природным углем. газ и использование топлива с низким содержанием серы.Помимо уменьшения объема кислотных частиц в аэрозолях, сокращение выбросов серы также привело к уменьшению осаждения кислот в озерах и водоемах, отметил Армистед «Тед» Рассел, профессор-регент в Школе гражданской и экологической инженерии Технологического института Джорджии, а также другой сотрудник газеты. соавторы.Ожидалось, что снижение уровня кислотности в частицах сульфата приведет к увеличению производства атмосферных нитратов аммония. Эти частицы также оказывают вредное воздействие, и если бы они поднялись, чтобы заменить сульфаты, могли бы потребоваться дополнительные регулирующие меры.
Исследователи считают, что сохраняющаяся высокая кислотность частиц сульфата ограничивает образование нитрата аммония.«Оказывается, уровень нитратов был неизменным», — сказал Рассел. «Они совсем не изменились, и это хорошие новости. Это также сильно влияет на то, как азот удобряет экосистемы, что важно для понимания того, как земные системы реагируют на загрязнение».
PH частиц PM 2,5 нельзя измерить напрямую, поэтому ученые должны сделать вывод об их кислотности, изучая распределение атмосферных частиц, которые можно измерить и которые очень чувствительны к значению pH частицы. Для этого требуется моделирование, которое можно проверить путем изучения соединений, таких как компоненты аэрозоля и компоненты газовой фазы, которые можно измерить напрямую. Данные были проанализированы с использованием модели термодинамической химии ISORROPIA-II, которая была разработана одним из соавторов и широко используется в моделировании качества воздуха и климата во всем мире.Выводы статьи основаны на атмосферных условиях, обнаруженных на юго-востоке США, и старший научный сотрудник Хунюй Го начал изучение данных из северо-востока Соединенных Штатов, чтобы определить, происходит ли то же самое в других местах страны.
По словам Вебера, вероятно, что во многих частях Соединенных Штатов — и в остальном мире — кислотность частиц сульфата остается на удивление высокой.Помимо воздействия на здоровье, кислотность частиц влияет на другие аспекты химии атмосферы, включая реакцию изопрена, природного углеводорода, производимого деревьями многих видов лесов, и растворимость металлов, содержащихся в минеральной пыли. «Уровень pH действительно оказывает значительное влияние на многие процессы, которые влияют на общую массу аэрозоля», — добавил Вебер.Исследование может потребовать пересмотра роли кислотности в химии атмосферы, особенно там, где она влияет на ключевые процессы в моделях изменения климата.
«Я думаю, что это исследование окажет долгосрочное влияние на то, как сообщество оценивает качество воздуха и модели климата, потому что pH частиц настолько важен, но в большинстве случаев ему не уделяется должного внимания», — сказал Атанасиос Ненес, профессор и ученый из Джорджии. в Школе Земли Атмосферные науки и химическая школа Биомолекулярная инженерия и еще один соавтор. «Мы думаем, что произойдет смена парадигмы, поскольку люди пересмотрят свои интуитивные представления о pH частиц и о том, как они реагируют на выбросы».