Ученые из Университета Юты измерили соотношение редких и распространенных изотопов водорода и кислорода в воде и подсчитали, что водяной пар от сжигания ископаемого топлива составляет до 13 процентов водяного пара в смоге во время зимних инверсий в Солт-Лейк-Сити, причем процентное соотношение начинается с меньше и увеличивается по мере того, как инверсия сохраняется.
«Вероятно, двумя крупнейшими источниками являются автомобили и домашнее отопление», — говорит геохимик Гейб Боуэн, старший автор исследования, опубликованного на этой неделе в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
«В дни инверсии мы наблюдаем периоды с особенно высоким уровнем воды для горения в воздухе, например, сразу после утренних и вечерних часов пик. Утро более выражено », — говорит он. "Другой — в ночное время, когда мы видим постоянные высокие уровни, скорее всего, связанные с отоплением дома.
Мы знаем, что вода поступает в результате сжигания ископаемого топлива, потому что ее концентрация повышается и понижается с увеличением уровня углекислого газа, выделяемого при сжигании топлива."
А водяной пар в застойных, покрытых дымом зимних инверсиях в Солт-Лейк-Сити «способствует« холоду », который мы чувствуем во время этих событий, а также, вероятно, к образованию инея и обледенению дорог», — говорит Боуэн, доцент геологии и геофизики Университета штата Юта.
Он говорит, что вода от сжигания ископаемого топлива «является до сих пор недокументированным аспектом выбросов в окружающую среду во время инверсионного сезона», и исследование предоставляет новый инструмент для измерения того, сколько воды добавляется в атмосферу при сжигании топлива в автомобилях, печах, промышленности. и другие источники.
«Новый подход может помочь исследователям отслеживать источники выбросов парниковых газов в городах и изучать влияние воды сгорания на погоду в городах, качество жизни и химию атмосферы», — говорится в исследовании.
Боуэн говорит, что новый метод измерения источников воды для горения в городском воздухе «находится на ранней стадии.
У нас много идей по поводу потенциальных приложений."
В исследовании не измерялось, сколько водяного пара выходит из автомобилей по сравнению с печами. Но «мы надеемся, что мы сможем различать выбросы из разных источников на основе их вклада в воду в атмосфере над городом», — добавляет он.
Исследователи также надеются применить свой метод для измерения выбросов парниковых газов от дровяных печей или промышленных источников сгорания, которые производят водяной пар, и «мы могли бы использовать его для оценки эффективности сгорания — для диагностики проблем сгорания в автомобильных двигателях. или промышленных процессов ", — говорит Боуэн.
Водяной пар делает инверсии холодными и влажными
Боуэн провел исследование Университета Юты с техническими специалистами Галеном Горски и Райаном Баресом; Куртенэ Стронг, доцент кафедры атмосферных наук; Стивен Гуд, научный сотрудник по геологии и геофизике; и Джеймс Элерингер, выдающийся профессор биологии. Финансирование поступило от Национального научного фонда США.S.
Министерство энергетики и Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
Исследование касалось водяного пара в «пограничном слое» — холодном и туманном слое от земли до более теплого слоя воздуха, который улавливает и удерживает инверсию.
Боуэн говорит, что водяной пар от сжигания топлива «не так страшен, как другие вещества, выходящие из наших выхлопных труб. Но это влияет на нашу местную среду во время этих инверсий."
«Во многих или в большинстве случаев инверсии влажность увеличивается в нижних слоях атмосферы, что способствует видимой температуре и образованию инея в ночное время», — добавляет он. "Эти события кажутся серыми, мрачными и сырыми по сравнению с остальной зимой.
Частично причина в том, что вода, образующаяся при горении, задерживается в пограничном слое на поверхности."
Кокаин, эволюция, убийство — а теперь водяной пар
Новое исследование представляет собой новейшее применение анализа стабильных изотопов, метода, который рассматривает отношения редких и обычных масс или изотопов таких элементов, как водород, углерод, кислород и азот. Изотопы стабильны; они не распадаются радиоактивно.
Исследователи из Университета штата Юта использовали этот метод, чтобы помочь определить источники кокаина и фальшивой валюты, диеты ранних предков человека и маршруты, по которым слоны путешествовали в Африке, и даже помочь идентифицировать жертву убийства на основе анализа изотопов или волос, на которые указала полиция. в район, где жила потерпевшая.
В природной воде отношение более тяжелого редкого кислорода-18 к более легкому обычному кислороду-16 низкое, потому что более тяжелый изотоп выпадает первым, когда ливни перемещаются вглубь суши. То же верно и для дейтерия, редкого водорода-2, по сравнению с обычным изотопом, водородом-1.
Вода, полученная в результате горения или сгорания, отличается. Отношение водорода-2 к водороду-1 очень низкое, потому что водород в топливе поступает от древних растений и микробов, которые предпочитали водород-1. Но соотношение кислорода-18 к кислороду-16 намного выше по сравнению с природной водой.
Это связано с тем, что при сжигании топлива используется кислород воздуха — кислород, вырабатываемый листьями растений, из которых более тяжелый кислород-18 испаряется медленнее, чем более легкий кислород-16.
Боуэн и его коллеги использовали эту необычную сигнатуру, чтобы разработать шкалу, по которой они могут оценить количество паров, образующихся при сгорании, в любой пробе воздуха. Этот подход лучше всего работает в инверсиях зимой в Юте, но исследователи полагают, что они также могут обнаружить воду от горения с помощью тщательных измерений в периоды без инверсий.
С декабря.
3 января 2013 г. — янв. 31 декабря 2014 г. — период с четырьмя инверсиями — Боуэн и его коллеги измеряли концентрации углекислого газа и водяного пара, а также изотопные отношения водяного пара в среднем каждые пять минут.
Они обнаружили, что количество водяного пара в воздухе при сгорании тесно связано с количеством углекислого газа. Во время каждой инверсии оба увеличивались. Во время трех инверсий оба газа выровнялись или упали, когда инверсии несколько смешались с более чистым воздухом.
Водяной пар и углекислый газ при горении поднялись с 7 до 10 а.м. из-за пробок начал опускаться в 10:30.м., затем поднялся во время вечернего пика, достигнув пика на 8 п.м. и оставался ровным до полуночи, пока работали печи.
Уровни пара и газа упали на 3 а.м., из-за ветров каньона, а также из-за того, что роса и мороз уменьшили количество воды в воздухе.
Исследователи оценили изотопный состав кислорода и водорода в воде при сжигании природного газа и бензина, подтвердив свои оценки для бензина путем тестирования воды из выхлопной трубы неэффективного старого внедорожника и более молодого, более эффективного седана.
Они подсчитали, сколько воды из выхлопных труб необходимо добавить в воздух, чтобы получить уровни, наблюдаемые в воздухе во время переворотов. По их консервативным оценкам, до 13 процентов водяного пара в инверсиях образуется в результате сжигания топлива.
Это большой процент, учитывая, что вода для горения составляет всего 0.004 процента глобального водного цикла.
Соавтор Стронг создал компьютерную модель для моделирования того, как вода попадает в инверсию Солт-Лейк-Сити из-за ветра, дождя, снега и выбросов горения, и как они влияют на влажность воздуха.
Модель предсказывала то, что видели исследователи, в том числе ежедневные модели движения и водяного пара в печи.
Пик водяного пара во время ночного отопительного периода был примерно вдвое меньше, чем после утренних и вечерних часов пик, в основном из-за того, что современные печи конденсируют воду при отборе тепла.
«Мы могли бы использовать этот новый инструмент, чтобы понять, откуда происходят выбросы углекислого газа», — говорит Боуэн. "Выбросы углекислого газа из разных источников приводят к образованию разного количества водяного пара."То же самое может оказаться верным и в отношении других загрязнителей горения, таких как мелкие частицы и оксиды азота, что в конечном итоге позволит использовать водяной пар для лучшего отслеживания их источников.